NOTE DE COURS STEP

UNIVERSITE DES SCIENCES ET DE LA TECHNOLOGIEHOUARI BOUMEDIENE

Faculté De Génie Civil

NOTES DE COURS STEPTRAITEMENT - EPURATION

Par : Mr MAALIOU

2012/2013

SYSTEMES HYDRAULIQUES DE TRAITEMENT ET EPURATION DES EAUX USEES ET INDUSTRIELLES

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SommaireChapitre 1 : CONSIDERATION D’ENSEMBLE SUR LES EAUX NATURELLES......................................................................... 6

1. LES EAUX NATURELLES.............................................................................................................................................. 6

1.1. LES EAUXSOUTERRAINES ................................................................................................................................... 6

1.1.1. Origine......................................................................................................................................................... 6

1.1.2. Caractéristiques générales.......................................................................................................................... 6

1.1.3. Potabilité ..................................................................................................................................................... 6

1.1.4. Eaux minérales et eaux de source .............................................................................................................. 7

1.2. LES EAUX DE SURFACE ....................................................................................................................................... 7

1.2.1. Origine......................................................................................................................................................... 7

1.2.2. Caractéristiques générales.......................................................................................................................... 7

1.2.3. Potabilité des eaux de surface .................................................................................................................... 9

1.3. EAUX DE MER ET EAUX SAUMATRES ................................................................................................................ 9

Chapitre 2 : LES EAUX POTABLES ....................................................................................................................................10

2.1. QUANTITÉS NÉCESSAIRES ....................................................................................................................................10

2.2. POURQUOI TRAITER? ...........................................................................................................................................10

2.3. CRITÈRES DE CHOIX..............................................................................................................................................10

2.4. IMPURETÉS DE NATURE BIOLOGIQUE .................................................................................................................10

2.4.1. Bactéries et virus...........................................................................................................................................11

2.4.2. Micro-organismes divers phytoplancton et zooplancton.............................................................................11

2.5. IMPURETÉS MINÉRALES.......................................................................................................................................11

2.6. IMPURETÉS ORGANIQUES....................................................................................................................................12

2.7. TRAITEMENT DES EAUX DE CONSOMMATION ....................................................................................................12

2.7. PROCESSUS ÉLÉMENTAIRES DU TRAITEMENT DE L'EAU .....................................................................................13

2.7.1 DÉGRILLAGE ...................................................................................................................................................13

2.7.1.1 Les grilles manuelles ...............................................................................................................................14

2.7.1.2 Les grilles mécaniques ............................................................................................................................14

A. Les grilles courbes.......................................................................................................................................14

B. Les grilles droites ........................................................................................................................................14

C. Grilles mécaniques à nettoyage par l’aval ..................................................................................................14

2.7.2 TAMISAGE ......................................................................................................................................................19

2.7.2.1 Macro-tamis rotatifs ..............................................................................................................................19

2.7.2.2 Tamis fixes à nettoyage par raclage.......................................................................................................20

2.7.2.3 Tamis à chaîne filtrante à auto-nettoyage continu................................................................................20

2.7.2.4 Tamis auto-nettoyants statiques ou rotatifs..........................................................................................20

2.7.2.4 Filtres mécaniques .................................................................................................................................21

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2.7. 3. COAGULATION – FLOCULATION...................................................................................................................21

2.7.3.1. Matières en suspension et colloïdes......................................................................................................21

2.7.3.2. Rôle de la coagulation - floculation .......................................................................................................21

2.7.3.3. Les suspensions colloïdales....................................................................................................................21

2.7.3.4. Théorie de la double couche..................................................................................................................22

2.7.3.5. Le potentiel Zéta ....................................................................................................................................23

2.7.3.6. La théorie chimique ...............................................................................................................................23

1. Présentation................................................................................................................................................23

2. Importance du gradient de vitesse .............................................................................................................25

3. Les coagulants .............................................................................................................................................25

4. Les floculants...............................................................................................................................................26

2.7.3.7. LES RÉACTIFS ..........................................................................................................................................26

A. Les coagulants minéraux.............................................................................................................................26

A. 1. Sels d'aluminium.................................................................................................................................27

A. 2. Sels de fer............................................................................................................................................28

B. Adjuvants de floculation "naturels"............................................................................................................28

B.1 Floculants minéraux..............................................................................................................................28

B.2 Floculants organiques (polymères naturels).........................................................................................29

2.7. 4. DÉCANTATION..............................................................................................................................................29

2.7. 4. 1. DIFFÉRENTS TYPES DE DÉCANTATION..................................................................................................29

A. Décantation des particules grenues ...........................................................................................................30

A.1. Théorie.................................................................................................................................................30

A.2. Régime hydraulique.............................................................................................................................30

A.2.1. Conditions de capture...................................................................................................................31

C. Décantation en piston des particules floculées ..........................................................................................32

A.2.2 Décantation dise des particules floculées .....................................................................................32

2.7. 4. 2. CALCUL DES DÉCANTEURS ...................................................................................................................33

A. Influence de la charge hydraulique superficielle........................................................................................33

B. Influence du flux massique .........................................................................................................................33

2.7. 4.3. STRUCTURE DES DECANTEURS..............................................................................................................34

2.7. 4. FILTRATION...................................................................................................................................................34

2.7. 4.1. Loi générale...........................................................................................................................................34

2.7. 4.2. Mécanismes de capture ........................................................................................................................35

2.7. 4.3. Mécanismes de fixation ........................................................................................................................35

2.7. 4.4. Mécanismes de détachement...............................................................................................................35

2.7. 4.5. Colmatage et lavage du matériau filtrant .............................................................................................35

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2.7. 4.6. Choix du mode de filtration ..................................................................................................................36

2.7. 4.6. Types de filtres ......................................................................................................................................36

2.7. 5. OXYDATION – DÉSINFECTION ......................................................................................................................37

2.7. 5. 1 OXYDATION PAR L'AIR...........................................................................................................................37

2.7. 5. 2 OXYDATION ET DÉSINFECTION PAR LE CHLORE....................................................................................38

A. Sources de chlore........................................................................................................................................38

B. Domaines d'emploi .....................................................................................................................................38

C. Mise en contact...........................................................................................................................................38

2.7. 5. 3 OXYDATION ET DÉSINFECTION PAR LE DIOXYDE DE CHLORE ...............................................................38

A. Mode de préparation..................................................................................................................................38

B. Domaine d'emploi.......................................................................................................................................38

C. Mise en œuvre ............................................................................................................................................39

2.7. 5. 4 OXYDATION ET DÉSINFECTION PAR L'OZONE .......................................................................................39

A. Caractéristiques physiques et thermodynamiques ....................................................................................39

B. Domaines d'utilisation ................................................................................................................................39

2.7. 6. TRAITEMENTS SPECIFIQUES.........................................................................................................................39

2.7. 6.1. DEFFERISATION (ÉLIMINATION DU FER) ...............................................................................................39

A. États naturels du fer ...................................................................................................................................39

B. Déferrisation avec décantation...................................................................................................................40

C. Traitement associé à une décarbonatation ................................................................................................41

2.7. 6.1. DEMANGANISATION (ÉLIMINATION DU MANGANÈSE)........................................................................41

A. État naturel .................................................................................................................................................41

B. Oxydation par l'oxygène .............................................................................................................................41

C. Oxydation par le dioxyde de chlore ............................................................................................................41

D. Oxydation par le permanganate de potassium ..........................................................................................42

2.7. 6.1. ÉLIMINATION BIOLOGIQUE SIMULTANEE DU FER ET DU MANGANESE ...............................................42

Chapitre 3 : LES EAUX USEES URBAINES ET INDUSTRIELLES...........................................................................................43

3.1. LES EAUX USEES URBAINE....................................................................................................................................43

3.1.1 PARAMETRES DE LA POLLUTION....................................................................................................................43

3.1.2 OBJECTIFS DU TRAITEMENT...........................................................................................................................44

3.1.3 ÉTAPES DU TRAITEMENT................................................................................................................................44

3.1.3.1 PRETRAITEMENT .....................................................................................................................................44

3.1.3.1.1 Dégrillage ........................................................................................................................................44

3.1.3.1.2 Dessablage ......................................................................................................................................45

3.1.3.1..3 Déshuilage-dégraissage ..................................................................................................................45

3.1.3.1..3 Décantation.....................................................................................................................................45

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A. Décantation classique.............................................................................................................................46

B. Décantation lamellaire............................................................................................................................46

3.1.3.2 TRAITEMENT PRIMAIRE ..........................................................................................................................47

3.1.3.3 TRAITEMENT PRIMAIRE ..........................................................................................................................48

3.1.3.3.1 ÉPURATION PAR VOIE ANAEROBIE ..................................................................................................48

3.1.3.3.2 EPURATION PAR VOIE AEROBIE .......................................................................................................48

A. Les procédés extensifs ............................................................................................................................48

A.1 L'épandage........................................................................................................................................48

A.2 Le lagunage .......................................................................................................................................48

A.2.1 Les lagunes naturelles................................................................................................................49

A.2.2 Les lagunes aérées .....................................................................................................................49

B. Les procédés intensifs .............................................................................................................................49

B.1 Les procédés à cultures fixes ............................................................................................................49

B.1.1 Les lits bactériens.......................................................................................................................49

B.1.2 Les disques biologiques .............................................................................................................50

B.1.3 Les bio-filtres..............................................................................................................................50

B.2 Les procédés à cultures libres : boues activées ................................................................................51

3.1.3.4 TRAITEMENT TERTIAIRE (COMPLEMENTAIRE)........................................................................................53

3.1.3.4 1 ELIMINATION DE LA POLLUTION AZOTEE ........................................................................................53

3.1.3.4 2. ELIMINATION DU PHOSPHORE .......................................................................................................55

3.1.3.4.3. LA DESINFECTION............................................................................................................................55

3.1.3.4.4. TRAITEMENT DES BOUES RESIDUAIRES ..........................................................................................56

3.2. LES EAUX INDUSTRIELLES.....................................................................................................................................56

3.2.1 CONCEPTION DES INSTALLATIONS.................................................................................................................56

3.2.1.1 ORGANISATION DES ÉGOUTS ET DES CIRCUITS ......................................................................................56

3.2.1.2 TRAITEMENTS SÉPARÉS DES EFFLUENTS ................................................................................................56

3.2.1.3 TRAITEMENT PRÉLIMINAIRE ...................................................................................................................57

3.2.1.4. TRAITEMENT PHYSICO-CHIMIQUE.........................................................................................................57

3.2.1.5. TRAITEMENT BIOLOGIQUE.....................................................................................................................57

3.2.1.6. TRAITEMENT TERTIAIRE .........................................................................................................................58

3.2.1.7. PARTICULARITÉS DU TRAITEMENT DES BOUES .....................................................................................58

3.2.1.8. LES ODEURS............................................................................................................................................59

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Chapitre 1 : CONSIDERATION D’ENSEMBLE SUR LES EAUX NATURELLES

1. LES EAUX NATURELLES

Les réserves disponibles d'eaux naturelles sont constituées des eaux souterraines (infiltration,nappes), des eaux de surface retenues (barrages, lacs, rivières) ou en écoulement et des eaux de mer.

1.1. LES EAUXSOUTERRAINES

1.1.1. Origine

La porosité et la structure du terrain déterminent le type de nappe et le mode de circulationsouterraine.Une nappe peut être libre. Elle est alors alimentée directement par l'infiltration des eaux de ruissellement Leniveau de cette nappe fluctue en fonction de la quantité d'eau retenue.Une nappe peut être captive. Elle est alors séparée de la surface du sol par une couche imperméable. Elle estgénéralement plus profonde.Un cas particulier est représenté par les nappes alluviales: ce sont les nappes situées dans les terrainsalluvionnaires sur lesquels circule un cours d'eau. La qualité de ces eaux est alors directement influencée parla qualité de l'eau de la rivière.

Le stockage et la circulation de l'eau de nappe peuvent se situer dans la totalité de la couchegéologique considérée: c'est le cas des terrains poreux tels que sables, grès, alluvions. Ils peuvent s'établirdans des fissures ou fractures de roches compactes. Les roches compactes à fissures étroites sontreprésentées par la plupart des roches éruptives ou métamorphiques. Ces roches ne sont pas intrinsèquementperméables. L'eau pénètre les roches et y circule grâce aux fissures localisées et dispersées.

Les roches compactes à fissures larges ou à cavernes sont typiquement représentées par les terrainscalcaires: les fissures originelles sont progressivement élargies par dissolution dans l'eau chargée de gazcarbonique qui y circule; on aboutit à des cavernes importantes, avec parfois formation de vrais cours d'eausouterrains; c'est le relief karstique. On peut aussi trouver rarement des marnes et exceptionnellement dugrès.

1.1.2. Caractéristiques générales

La nature géologique du terrain a une influence déterminante sur la composition chimique de l'eauretenue. A tout instant, l'eau est en contact avec le sol dans lequel elle stagne ou circule: il s'établit unéquilibre entre la composition du terrain et celle de l'eau. Les eaux circulant dans un sous-sol sablonneux ougranitique sont acides et peu minéralisées. Les eaux circulant dans des sols calcaires sont bicarbonatéescalciques.Le tableau 1 donne les caractéristiques des eaux souterraines selon les principaux paramètres analytiques.Parmi les caractéristiques de ces eaux, il faut retenir une faible turbidité, une température et une compositionchimique constantes, l'absence presque générale d'oxygène. Dans le cas des nappes en milieu fermé,principalement en circulation de type karstique, on peut cependant relever des variations brutales dans lacomposition de l'eau, avec apparition de turbidité et de pollution diverses. Ces variations sont liées à cellesdu débit de la nappe engendrées par les précipitations. En outre, les eaux souterraines sont souvent d'unegrande pureté bactériologique.

1.1.3. Potabilité

Les eaux souterraines ont, pendant longtemps, été synonymes "d'eaux propres" et répondantnaturellement aux normes de potabilité. Ces eaux sont en effet moins sensibles aux pollutions accidentelles.Une nappe libre, étant alimentée par toute la surface du sol située au-dessus d'elle, est plus sensible qu'unenappe captive. Les nappes alluviales sont aussi menacées sur toute leur surface et par l'ensemble desaffluents de la rivière. Lorsqu'une nappe souterraine a été polluée, il est très difficile de récupérer sa pureté

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originelle: les polluants ayant contaminé la nappe sont en effet non seulement présents dans l'eau, maiségalement fixés et adsorbés sur les roches et minéraux du sous-sol.

Les eaux souterraines peuvent aussi contenir des éléments à des concentrations dépassant largementles normes de potabilité. Ceci est dû à la composition du terrain de stockage. On peut citer Fe, Mn, H2S, F...Les eaux souterraines doivent être traitées avant distribution toutes les fois que la concentration d'un ouplusieurs éléments dépasse la valeur autorisée par les règlements en vigueur.

1.1.4. Eaux minérales et eaux de source

La Législation française définit des "eaux minérales" et des "eaux de source". Les eaux minéralessont des eaux profondes qui peuvent contenir certains éléments en concentration supérieure à laconcentration autorisée pour les eaux potables et qui sont douées de propriétés thérapeutiques reconnues.Elles sont distribuées en bouteille, avec parfois certains traitements bien définis comme décantationnaturelle, déferrisation par simple aération, élimination et/ou réincorporation du C02 originel.

Les eaux de source sont des eaux qui, contrairement aux eaux minérales, doivent répondre, àl'émergence, aux critères de potabilité, et ne peuvent subir aucun traitement.A ces deux types d'eaux, on peut opposer le terme "eaux de table" qui correspond à des eaux embouteilléesdont le seul critère est de répondre aux normes de potabilité, tout traitement préalable étant autorisé.

1.2. LES EAUX DE SURFACE

Ce terme englobe toutes les eaux circulant ou stockées à la surface des continents.

1.2.1. Origine

Elles ont pour origine, soit des nappes profondes dont l'émergence constitue une source de ruisseau,de rivière, soit les eaux de ruissellement. Ces eaux se rassemblent en cours d'eau, caractérisés par unesurface de contact eau-atmosphère toujours en mouvement et une vitesse de circulation appréciable. Ellespeuvent se trouver stockées en réserves naturelles (lacs) ou artificielles (retenues, barrages) caractérisées parune surface d'échange eau atmosphère quasiment immobile, une profondeur qui peut être importante et untemps de séjour appréciable.

1.2.2. Caractéristiques générales

La composition chimique des eaux de surface dépend de la nature des terrains traversés par l'eaudurant son parcours dans l'ensemble des bassins versants. Au cours de son cheminement, l'eau dissout lesdifférents éléments constitutifs des terrains. Par échange à la surface eau-atmosphère, ces eaux se chargenten gaz dissous (oxygène, azote, gaz carbonique).

Le tableau 1 donne les éléments caractéristiques des eaux de surface par rapport aux eauxsouterraines. Il faut noter- présence quasi-générale de gaz dissous, en particulier l'oxygène,- concentration importante en matières en suspension, tout au moins pour les eaux courantes. Ces matièresen suspension sont très diverses, allant des particules colloïdales aux éléments figurés entraînés par lesrivières en cas d'augmentation importante du débit. Dans le cas des eaux de barrage, le temps de séjourprovoque une décantation naturelle des éléments les plus grossiers: la turbidité résiduelle est alors colloïdale,- présence de matières organiques d'origine naturelle provenant de la décomposition des organismesvégétaux ou animaux vivant à la surface du bassin versant ou dans la rivière et qui se décomposent aprèsleur mort (végétaux, animaux...),- présence de plancton: les eaux de surface sont le siège d'un développement important de phytoplancton(algues...) et de zooplancton. Dans certaines conditions, une vie aquatique intense peut se développer:développement de végétaux macrophytes, de poissons.- variations journalières (différence de température, d'ensoleillement) ou saisonnières: variationsclimatiques (température, fonte des neiges), de végétation (chute des feuilles). Elles peuvent être aléatoires:

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pluies soudaines, orages, pollutions accidentelles. Dans les retenues d'eau de surface, la qualité de l'eau variede la surface de l'eau jusqu'au fond de la retenue (O2, Fe, Mn, oxydabilité, plancton). Le profil de chacun deces paramètres varie lui-même en fonction des périodes de l'année,- pollution organique conduisant souvent à l'eutrophisation des eaux.

Tableau 1. Principales différences entre eaux de surface et eaux souterraines.

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1.2.3. Potabilité des eaux de surface

Les eaux de surface sont rarement potables sans aucun traitement. Outre les éléments signalés en1.2.2., les eaux de surface sont généralement polluées bactériologiquement. De plus, elles peuvent présenterplusieurs pollutions :

- d'origine urbaine: les rejets provenant de la collecte des ERU (métabolisme de l'homme, confortdomestique), après leur traitement en station d'épuration,- d'origine industrielle: polluants et micropolluants organiques (hydrocarbures, solvants, produits desynthèse, phénols) ou inorganiques (métaux lourds, ammoniaque, produits toxiques),- d'origine agricole: engrais et produits pesticides ou herbicides entraînés par les eaux de pluie et leruissellement. Également rejets organiques dus à la présence d'élevages importants.

1.3. EAUX DE MER ET EAUX SAUMATRES

Le tableau 2 donne la composition d'une eau de mer "standard" (type ASTM). Ces eaux sontcaractérisées par une salinité importante, qui peut varier selon les origines :

Tableau 2. Analyse standard d'eau de mer - pH = 8,2 - 8,3.

Certaines caractéristiques physiques de l'eau de mer sont particulièrement importantes: turbidité,matières en suspension, nombre de particules (de plus de 2 ou 5 μm par ml ou 100 ml), indice de colmatage.Elles sont très variables selon la localisation- en pleine mer, les MES sont représentées essentiellement par le zooplancton et le phytoplancton, dont lavaleur est de quelque mg.l-1,- près des rivages: la teneur en sable peut être importante selon l'agitation (vent, marées) et la profondeur(présence d'un plateau continental).De plus, à proximité des agglomérations, la pollution par des rejets urbains et industriels peut devenirprépondérante: la teneur en MES peut varier de plusieurs dizaines de mg.l-1 à une ou deux centaines,- dans les estuaires, la rencontre du courant fluvial avec l'eau de mer et l'influence de la marée (avecremontée de l'eau de mer dans le lit du fleuve et présence d'un mascaret) sont la cause de variationsimportantes de la salinité et de la teneur en MES de l'eau prélevée en un point donné. L'agitation provoquéepar l'inversion du courant remet en suspension des sédiments, avec formation d'un "bouchon" dont la teneuren MES peut atteindre plusieurs g.l-1, la teneur en plancton peut également être très variable selon lesconditions géographiques (mer peu profonde et peu agitée) et climatiques (floraison d'algues en mer du Nordpar exemple).

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Chapitre 2 : LES EAUX POTABLES

2.1. QUANTITÉS NÉCESSAIRES

On admet que l'homme consomme, en moyenne, 2 litres d'eau par jour pour la boisson et la cuissondes aliments. Cette quantité dépend des conditions climatiques et peut aller jusqu'à 3 ou 4 litres en payschaud, mais reste faible par rapport à la consommation domestique de l'eau.

Celle-ci peut varier de quelques litres par jour dans les pays sans adduction publique et à faibleconfort ménager, jusqu'à plusieurs centaines de litres dans les pays très développés.

2.2. POURQUOI TRAITER?

Dans tous les cas, l'eau mise à disposition du consommateur dans le réseau de distribution doit êtretraitée, même si l'homme n'en consomme directement qu'une très faible proportion. Il est en effet dangereuxpour la santé et économiquement prohibitif d'envisager un double réseau de distribution, l'un des réseauxdistribuant l'eau destinée à la consommation et l'autre réseau distribuant l'eau destinée aux autres usages.

Quel que soit l'usage qu'en fera le consommateur, l'eau arrivant au robinet de ce consommateur doit doncêtre "potable".

Il est nécessaire de traiter l'eau chaque fois que l'un des paramètres analytiques est supérieur auxnormes en vigueur dans le pays considéré. L'OMS (Organisation Mondiale de la Santé) établit pour chaqueparamètre, des recommandations qui doivent être adaptées dans chaque pays, en fonction de l'état sanitaireet des considérations économiques de ce pays, pour aboutir aux normes réglementaires nationales.

2.3. CRITÈRES DE CHOIX

Le choix de l'eau à traiter avant distribution dépend de plusieurs facteurs. Pour chacune desressources dont on dispose (eau souterraine, eau de surface courante ou stockée), on évalue :

- la quantité: la "source" doit être capable de fournir, en toute circonstance, la quantité d'eau nécessaire.Dans les pays à précipitations très variables, il peut être nécessaire de prévoir un barrage pour retenirpendant les périodes de pluies la quantité dont on aura besoin en période sèche,

- la qualité: la qualité de l'eau brute dont on dispose doit être compatible avec la législation en vigueur danscertains pays. Il faut déterminer le procédé de traitement le mieux adapté pour potabiliser cette eau. Ceprocédé doit être évalué en tenant compte de la variabilité de la qualité de l'eau au cours des annéesprécédentes (variations journalières, saisonnières, climatiques) et des variations potentielles que l'on peutsupposer pour le futur (construction d'un barrage par exemple). Il faut, en outre, se rappeler que, eausouterraine n'est pas synonyme d'eau pure de nombreuses nappes sont en effet polluées soitbactériologiquement, soit par des nitrates, des produits phytosanitaires, des solvants chlorés ou deshydrocarbures.

- l'économie: il faut ensuite comparer les coûts d'investissement et de fonctionnement relatifs à chacune desressources disponibles, pour assurer à la fois la quantité et la qualité de l'eau à distribuer stockage ettransport de l'eau brute, traitement de l'eau, stockage et transport de l'eau traitée.

2.4. IMPURETÉS DE NATURE BIOLOGIQUE

Toutes les eaux sont susceptibles d'être polluées par des micro-organismes.

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2.4.1. Bactéries et virus

Les bactéries test de contamination fécale sont apportées parles rejets d'eaux résiduaires urbaineseffectués dans l'environnement, que ce soit avec ou sans traitement. Ces bactéries sont le révélateur d'unecontamination possible par des bactéries ou virus, pathogènes pour l'homme.

Le développement de germes banals peut créer de graves problèmes dans les réseaux dedistribution: consommation de l'oxygène dissous, corrosion, apparition de mauvais goûts.

2.4.2. Micro-organismes divers phytoplancton et zooplancton

Les eaux de surface contiennent de nombreux organismes constituant le phytoplancton et lezooplancton. Plusieurs de ces organismes, dont certains Actinomycètes et certaines Cyanophycées, sécrètentdes composés (comme la géosmine) donnant à l'eau un goût et une odeur désagréable. D'autres sontpathogènes pour l'homme (amibes).

La présence d'algues et de macroorganismes dans le réseau (Asellus, Copépodes, Nématodes) estdésagréable pour le consommateur, et leur développement peut aboutir à des désordres importants(prolifération, dépôts, apparition de conditions anaérobies).

De plus, pendant leur développement ou au moment de leur mort, certains microorganismes(Cyanophycées par exemple) émettent des métabolites toxiques pour les animaux supérieurs.

2.5. IMPURETÉS MINÉRALES

Certaines de ces impuretés ont une influence sur les qualités organoleptiques de l'eau, son aspectesthétique, ou son comportement dans le réseau de distribution, mais sont sans effet appréciable sur la santédu consommateur, alors que d'autres ont un effet reconnu.

· La turbidité :

C'est, avec la couleur, le premier paramètre perçu directement par le consommateur. Toutes les eauxsont turbides, mais une turbidité trop importante provoque un rejet de la part de l'utilisateur. La turbidité doitaussi être éliminée pour d'autres raisons :

- permettre une bonne désinfection de l'eau,- éliminer tout polluant adsorbé sur les matières en suspension (métaux lourds...),- éviter tout dépôt dans le réseau de distribution.

· La couleur :

La couleur peut être due à certaines impuretés minérales (fer...) mais également à certaines matièresorganiques (acides humiques, fulviques). Elle doit être éliminée pour rendre l'eau agréable à boire.L'élimination de la couleur s'accompagne également de l'élimination de certaines matières organiquesindésirables (précurseurs de composés haloformes...).

La minéralisation :

L'alcalinité et la dureté participent à l'équilibre calcocarbonique de l'eau conjointement avec le pH etl'acide carbonique dissous. On cherche à distribuer une eau à l'équilibre pour éviter l'entartrage ou lacorrosion des réseaux. Une quantité trop importante de sulfates a un effet sur le goût de l'eau et peut larendre laxative. Une quantité trop importante de chlorures affecte aussi le goût de l'eau et la rend corrosive.

· Les gaz dissous :

L'H2S est révélateur de conditions anaérobies, et d'un potentiel d'oxydoréduction trop bas; ilprovoque de mauvaises odeurs et peut être à l'origine de corrosion. Il doit être éliminé.

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· L'ammonium NH4+ :

Il n'a pas d'effet appréciable sur la santé du consommateur, mais sa présence dans les eaux est unindicateur de pollution. Dans les eaux profondes, la présence de NH, peut également être due aux conditionsréductrices régnant dans une nappe. L'ammonium doit être éliminé dans les eaux de consommation, car c'estun aliment qui peut permettre à certaines bactéries de proliférer dans les réseaux de distribution.

2.6. IMPURETÉS ORGANIQUES

De nombreuses substances organiques naturelles sont présentes dans les eaux, souterraines ou desurface. Elles se classent en 6 groupes principaux: substances humiques, acides hydrophiliques, acidescarboxyliques, peptides et aminoacides, hydrates de carbone et hydrocarbures.

2.7. TRAITEMENT DES EAUX DE CONSOMMATION

Une installation de traitement d'eau destinée à la consommation doit produire, en toutescirconstances, une eau répondant aux normes (fixées dans chaque pays) alors que l'eau brute peut avoir,avant traitement, des caractéristiques variables, tout particulièrement si cette eau est une eau de surface.

Pour faire face à ces variations, la conception de installation peut faire appel à plusieurs procédésqu’il faut rechercher leur combinaison la plus judicieuse, tant au point de vue technique qu'au point de vueéconomique (investissement et tout de fonctionnement).

La figure 769 schématise les principales chaînes de traitement qu’on peut rencontrer, et qui doiventêtre complétées par des traitements spécifiques éventuellement rendus nécessaires par la présence d'uncomposé bien déterminé et indésirable (fluor, nitrate, calcium...).

La ligne n° 1 concerne une eau claire et sans pollution, dont le seul traitement peut être unedésinfection destinée à assurer la qualité microbiologique. La ligne n° 2 concerne une eau dont les seulesimpuretés sont des MES. Une simple filtration avant désinfection est suffisante. Lorsque l'eau contient unefaible quantité de colloïdes, ou présente une couleur plus importante, une coagulation sur filtre permet derésoudre le problème (ligne n° 3). Si la quantité de coagulant nécessaire à l'élimination des colloïdes ou de lacouleur devient trop élevée le volume de flot formé devient très important, ce qui provoquerait un colmatagerapide du filtre et des lavages trop fréquents; il est indispensable de prévoir un étage de séparation du flotformé (décantation ou flottation) avant filtration (ligne n° 4). Le flot formé après (addition de coagulantpermet de bien clarifier l'eau. Ce flot a également des propriétés adsorbantes et certains polluants dissouspeuvent s'adsorber à sa surface. Mais si la concentration en MO polluantes est trop importante, il peut êtreindispensable de mettre en place des traitements complémentaires: oxydation (ligne n° 6) ou adsorption(ligne n° 5) qui peuvent se combiner avec l'un ou l’autre des traitements de clarification.

Certaines de ces étapes de traitement micro-organismes dont l'effet peut être ont un effet biologique(ligne n° 7) : dès bénéfique pour l'eau traitée; c'est le cas qu'un procédé de traitement met en des étages defiltration (sur sable et sur œuvre une interface solide liquide, cette CAG) et, pour une faible part, du lit deinterface favorise le développement de boue des appareils de décantation.

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2.7. PROCESSUS ÉLÉMENTAIRES DU TRAITEMENT DE L'EAU

2.7.1 DÉGRILLAGE

Le dégrillage est une opération indispensable qui permet :

- de protéger la station contre l’arrivée intempestive de gros objets susceptibles de provoquer des bouchagesdans les différentes unités de l’installation.

- de séparer et évacuer facilement les matières volumineuses charriées par l’eau brute qui pourraient nuire jl’efficacité des traitements suivants ou en compliquer l’exécution.

L’opération est plus ou moins efficace, en fonction de l’écartement des barreaux des grilles et l’ondistingue : le dégrillage fin pour un écartement de 3 à 10 mm, le dégrillage moyen pour un écartement de 10à 25 mm, le prédégrillage pour un écartement de 50 à 100 mm.

Les différents types de grilles

Le dégrillage est assuré soit par une grille à nettoyage manuel, soit obligatoirement à partir d’unecertaine importance de la station par une grille à nettoyage automatique. dite “grillemécanique” ou“dégrilleur mécanique” souvent protégée par une prégrille à barreaux plus espacés (espacement de 50 à 100mm) habituellement prévue à nettoyage manuel mais pouvant également être automatisée dans lesinstallations importantes ou pour des eaux très chargées.

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2.7.1.1 Les grilles manuelles

Elles sont généralement constituées de barreaux droits acier, de sections cylindriques ourectangulaires. Elles peuvent être verticales mais sont plus souvent inclinées (angle de 60 à 80” surl’horizontale). Dans les petites stations d’épuration rurales, les grilles sont quelquefois remplacées par despaniers perforés relevables, lorsque les collecteurs d’arrivée sont très enterrés.

2.7.1.2 Les grilles mécaniques

La mécanisation du dégrillage ne dépend pas seulement de l’importance de la station. Le désir dediminuer notablement les interventions manuelles (peu alléchantes) de nettoyage peut imposer cetappareillage, même dans des stations de traitement de faible importance.

Le fonctionnement, généralement discontinu, du dispositif de nettoyage. peut être commandé par unehorloge électrique ou un indicateur de perte de charge différentiel, ou bien encore par une combinaison desdeux systèmes.

Les dégrilleurs mécaniques peuvent être classés suivant la position du système de nettoyage en :

Grilles à nettoyage par l’amont parmi lesquelles on distingue :

A. Les grilles courbes (fig. 1)

Avec un ou deux bras diamétraux rotatifs de nettoyage, équipées de râteaux (éventuellement debrosses sardes grilles très fines), avec éjection automatique des détritus dans une goulotte de réception.

Ces grilles très robustes sont installées sur des collecteurs peu enterrés, prévues pour des profondeursd’installation inférieures à 2 m par rapport au sol, leur largeur peut atteindre jusqu’à 3 m.

Ce type de grille est très bien adapté aux stations de petite ou moyenne importance.

B. Les grilles droites (fig. 2)

Dont le champ de grille est généralement incliné de 80” sur l’horizontale et qui sont conçues avecdifférents dispositifs de nettoyage tels que :

Râteau alternatif à commande par crémaillère pour hauteur moyenne de relèvement des détritus,

- râteau ou à grappin alternatif, à commande par câbles, permettant d‘obtenir une grande hauteur derelèvement des détritus,

- brosses montées sur chaînes sans fin, pour dégrillage fin.

Ces différents types permettent de couvrir une gamme de débits de 100 à 40 000 m3/heure.

C. Grilles mécaniques à nettoyage par l’aval (fig. 3)

Equipées de râteaux peignes montés sur chaînes sans fin, elles peuvent traiter des eauxparticulièrement chargées dans une gamme de débit de 500 à 30 000 m3/h.

Le champ de grille, vertical ou incliné (60 à 80” sur l’horizontale), est nécessairement prolongé jusqu’aupoint de déversement des déchets : la nécessité de lui donner une rigidité suffisante limite la profondeurd‘installation.

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Conditions d’utilisation des grilles mécaniques

Vitesse de passage de l’effluent :

La vitesse de passage à travers les barreaux doit être suffisante pour obtenir l’application desmatières sur la grille, sans pour autant provoquer une perte de charge trop importante ni entraîner oncolmatage en profondeur des barreaux de la grille.

On adopte, en général, une vitesse moyenne de passage entre les barreaux comprise entre 0.50 m/s et 1 m/s.Cette vitesse peut atteindre 1.00 à 1.20 m/s au débit maximal. Suivant les vitesses et les taux de colmatageacceptés. Les grilles créent des pertes de charge de l’ordre de 0.10 à 0.20 m. Elles peuvent atteindreexceptionnellement 0.40 m environ.

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Espacement des barreaux :

L’espacement des barreaux doit être choisi en fonction de la qualité du dégrillage désiré, en évitanttout excès dans un sens ou dans l’autre : si l’écartement est trop grand, l’efficacité de l’opération serainsuffisante ; s’il est trop faible. on augmentera inutilement le volume des déchets. Ce qui imposera undispositif de nettoyage de performances plus grandes et des moyens d’évacuation et de traitement desdéchets plus importants ( voir graphique ”Evacuation et traitement des déchets”).

Possibilités de relevage des déchets :

La grille ne doit pas être déterminée uniquement en fonction de considérations hydrauliques : lesystème de nettoyage mécanique doit pouvoir assurer directement le relevage et l’extraction des déchetsarrêtés sur le champ de grille.

II faut tenir compte :

- du volume des déchets retenus, fonction de la charge de l’effluent et de l’écartement des barreaux.- de la nature de ces déchets.- de la façon dont ils arrivent sur la grille (régulièrement «U massivement par à-coups),- durée de fonctionnement : en marche normale, le dispositif de nettoyage d’une grille mécanique ne doit pasfonctionner plus de 3 à 4 heures par jour, sauf aux moments de pointes saisonnières, où la durée de marchejournalière pourra atteindre 24 heures pendant quelques jours.- Nombre de grilles : si les conditions économiques le permettent, il est souhaitable de prévoir aux moinsdeux grilles mécaniques fonctionnant en parallèle afin d’avoir une souplesse plus grande dans l’exploitationet l’entretien.- Canal de grille : la grille mécanique est, généralement, placée dans un canal construit en béton. Celui-cidoit être conçu pour assurer de bonnes conditions de dégrillage. II sera, si possible, rectiligne sur unecertaine longueur en amont de la grille, pour obtenir une bonne répartition du débit sur la grille.

II est souhaitable de prévoir un canal de “by-pass” de la grille mécanique, équipé d’une grillemanuelle de secours, permettant une mise hors-service pour remise en état, et faisant également office detrop-plein de sécurité en cas de colmatage accidentel.

Les conditions d’utilisation des dégrilleurs sont résumées dans le tableau ci-dessous.

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2.7.2 TAMISAGE

Le tamisage assure un dégrillage poussé par filtration des eaux brutes sur toile, treillis ou tôleperforée, à mailles plus ou moins fines. La quantité de matières solides retenue sur le tamis étant trèssupérieure à celle retenue par les grilles, il y a lieu de procéder automatiquement à leur nettoyage. Suivant ladimension des orifices de passage du support, c’est-à-dire la finesse de la filtration, on distingue deuxvariantes :

-le macro-tamisage (mailles supérieures à 0,3 mm) est destiné à retenir certaines matières en suspension,flottantes ou semi-flottantes, débris végétaux ou animaux, insectes, brindilles, algues, herbes, etc. dedimensions comprises entre 0,2 mm et quelques millimètres,

-le micro-tamisage (mailles inférieures à 100 microns) réalise les séparations des matières en suspension detrès petites dimensions et peut être considéré suivant les cas, comme un traitement partiel ou total.

La technique de macro-tamisage est la seule utilisée de façon courante en station d’épuration.

Les appareils de macro-tamisage utilisables en prétraitement peuvent être classés en :

-appareils installés au fil de l’eau, à faible perte de charge : macro-tamis rotatifs, tamis fixes raclés et grillescontinues à chaîne filtrante auto-nettoyante,

- appareils nécessairement alimentés par pompage : tamis auto-nettoyants statiques ou rotatifs, filtresmécaniques.

On peut aussi considérer le dispositif de nettoyage et d’extraction des déchets en distinguant les tamis àlavage par eau sous pression et les tamis à évacuation mécanique des déchets.

2.7.2.1 Macro-tamis rotatifs

Ces appareils, utilisables sur effluents peu chargés, peuvent traiter des débits de quelques centainesde litres par seconde à plus de 10 m/seconde (fig. 4).

Installé dans un canal construit en béton, l’appareil se présente, soit sous forme d’un tambour cylindrique àaxe horizontal, de plusieurs mètres de diamètre, lorsque le niveau liquide varie relativement peu ; soit sousla forme d’une bande rotative sur chaîne sans fin, lorsque le niveau liquide varie beaucoup (de plusieursmètres, par exemple). Le tamisage se fait sur des panneaux filtrants équipés d’un treillis généralementmétallique, présentant un vide de maille compris entre 0,3 et 3 mm.

La commande automatique du nettoyage à l’eau sous pression permet de limiter la perte de charge à20 cm environ en marche normale. L’eau de lavage véhiculant les déchets retenus, de l’ordre de 0,5 à 1% dudébit traité, peut atteindre une concentration en matières solides de l’ordre de 10 g/litre et doit faire l’objetd’un traitement séparé.

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2.7.2.2 Tamis fixes à nettoyage par raclage

Ces appareils sont utilisés en général sur des eaux résiduaires d’industries alimentaires (abattoirs,conserveries) ou des effluents urbains proches de ce type d’eaux résiduaires. Ils assurent le tamisage deseaux brutes en retenant les matières en suspension sur une fine tôle perforée fixe, à orifices de 2 à 5 mm dediamètre. Les matières solides sont enlevées par des raclettes fixées sur chaîne sans fin. Le matériel peutéquiper des canaux de 1 à 1,5 m de largeur et traiter des débits de l’ordre de 100 à 200 m’/h avec une pertede charge qui ne doit normalement pas dépasser 0.5 m environ.

2.7.2.3 Tamis à chaîne filtrante à auto-nettoyage continu

Breveté sous la dénomination “Aqua-Guard”, la grille, de conception originale, combine les élémentsfiltrants en une chaîne articulée, permettant une séparation efficace des matières flottantes et en suspension,des eaux d’égout en vue de la protection des lits bactériens ou des décanteurs lamellaires, en particulier.Lachaîne filtrante assure à elle seule les deux fonctions d‘arrêt et de relèvement des déchets récupérés sur unconvoyeur ou dans un container. Elle se nettoie ensuite elle-même mécaniquement de façon à présenter àl’effluent brut une surface de filtration toujours propre. L’appareil offre une très bonne capacité derelèvement et peut accepter sans problème des afflux massifs de matières solides même si elles s’avèrent trèsfragiles (par exemple agglomérations de graisses) dans la mesure où elles ne s’écrasent pas sur la chaîne etleur décharge en est ainsi facilitée. Cette technique de tamisage fait l’objet de petites ou de très grossesinstallations en couvrant des gammes de débit en fonction des dimensions des mailles de 100 à près de 6 000m3/h par appareil.

2.7.2.4 Tamis auto-nettoyants statiques ou rotatifs

Ces appareils d’une finesse de tamisage de 0,25 à 2 mm sont utilisés en prétraitements d’eauxrésiduaires domestiques en particulier si elles renferment des effluents d’origine industrielle.

* Les tamis statiques (fig. 6)Comportent une grille, constituée par des barrettes horizontales en acier inoxydable, droites ou

incurvées, de section triangulaire. L’eau est répartie à la partie supérieure de la grille, dont l’inclinaison surl’horizontale diminue progressivement de haut en bas de 65° à 45° environ. On obtient ainsi successivementles effets de séparation, égouttage et évacuation des matières solides.

* Les tamis rotatifsComportent une grille cylindrique à axe horizontal, en barrettes d’acier inox de section trapézoïdale, qui

tourne lentement. Les matières retenues sur la grille sont récupérées par un racleur fixe et évacuées.

Tamis statiques et tamis rotatifs permettent de traiter des débits de l’ordre de 10 à l000 m3/h suivant letype et la finesse de tamisage désirée. Il est nécessaire de tenir compte d’une perte de charge de l’ordre de 2m de colonne d’eau et du fait que les déchets extraits sont collectés au pied de l’appareil.

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Comme les tamis fixes raclés, ces appareils peuvent être sensibles au colmatage par des graisses figées.

2.7.2.4 Filtres mécaniques

Différents constructeurs industriels proposent des filtres alimentés par pompage dans une gamme dedébits de quelques m3/h jusqu’à 5 000 m3/h

C’est le cas en particulier :

* des filtres cyclones à entrée tangentielle supérieure, avec tamis filtrant cylindrique en acier inox, à maillecomprise entre quelques dixièmes de mm et plusieurs mm,

* et des filtres rotatifs à nettoyage continu, avec corps filtrants démontables, en porcelaine ou en treillis inox(orifices ou mailles de 0,l à 1,6 mm) fixés sur un dispositif tournant, avec nettoyage par passage des corpsfiltrants devant une lumière isolée délivrant l’eau et les déchets à l’extérieur par contre courant.

2.7. 3. COAGULATION – FLOCULATION

2.7.3.1. Matières en suspension et colloïdes

L'eau contient de nombreux composés qui peuvent se regrouper en trois catégories :

· Matières en suspensionCes produits peuvent être d'origine minérale (sables, limons, argiles, ...) ou organique (produits de ladécomposition des matières végétales ou animales, acides humiques ou fulviques par exemple). A cescomposés s'ajoutent les micro-organismes tels que bactéries, plancton, algues et virus.Ces substances sont responsables, en particulier, de la turbidité et de la couleur.

· Matières colloïdales (moins de 1 micron)Ce sont des MES de même origine que les précédentes mais de plus petite taille, dont la décantation estexcessivement lente. Elles sont également génératrices de turbidité et de couleur.

· Matières dissoutes (moins de quelques nanomètres)Ce sont généralement des cations ou des anions. Une partie de la matière organique est également sousforme dissoute. On trouve aussi des gaz (O2, CO2, H2S, ...)

2.7.3.2. Rôle de la coagulation - floculation

Les procédés de coagulation et de floculation facilitent l'élimination des MES et colloïdales. Celle-ciest réalisée dans une étape ultérieure de séparation solide liquide: décantation, flottation ou filtration.L'élimination des substances dissoutes nécessite pour chaque espèce un traitement spécifique, précédé ounon d'une coagulation -floculation, voire d'une séparation solide -liquide.

2.7.3.3. Les suspensions colloïdales

A. Stabilité des suspensions colloïdales - Nécessité de la coagulation.

Dans le tableau 35 sont répertoriés certains matériaux ou organismes avec leur dimension et l'ordrede grandeur du temps nécessaire pour que, sous la seule influence de leur poids, les particules parcourentverticalement, à 20 °C, un mètre d'eau.

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Tableau 35. Temps de décantation de différentes particules.(D'après la loi de STOKES)

Ce tableau indique également que plus la particule est petite, plus sa surface spécifique est grande.Les colloïdes sont donc des particules impossibles à décanter naturellement, et pour lesquelles lesphénomènes de surface sont primordiaux. Ces phénomènes régissent la stabilité des suspensionscolloïdales. En effet, les colloïdes sont soumis à deux grands types de forces :

- force d'attraction de Van der Vaals, liée à la structure et à la forme des colloïdes ainsi qu'à la nature dumilieu (EA),- force de répulsion électrostatique, liée aux charges superficielles des colloïdes (EB).

La stabilité d'une suspension colloïdale dépend du bilan des forces d'attraction et de répulsion, dontle niveau énergétique est donné par : E = EA+EB

Cette relation est schématisée sur la figure 32

Pour déstabiliser la suspension, il faut franchir la barrière énergétique ES. Pour cela, et afin defavoriser l'agglomération des colloïdes, il faut diminuer les forces de répulsion électrostatique. C'est lacoagulation qui réalise cette déstabilisation.

2.7.3.4. Théorie de la double couche

Les colloïdes présents dans l'eau brute sont très généralement chargés négativement (imperfectionsdu réseau cristallin, ionisation des groupements chimiques périphériques, ...). Afin de neutraliser cettecharge négative de surface, des ions positifs, présents dans l'eau brute ou ajoutés, viennent former unecouche autour du colloïde. Diverses théories ont été avancées (figure 33)

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· Théorie de HELMHOLTZ: Une couche d'ions positifs recouvre intégralement la surface du colloïde etassure la neutralité de l'ensemble (couche adhérée).· Théorie de GOUM-CHAPMAN. La couche d'ions positifs est inégalement répartie autour du colloïde; laneutralité est obtenue à plus grande distance (couche diffuse).· Théorie de STERN qui rassemble les deux précédentes et considère la formation d'une double couche. Lapremière couche est adhérente au colloïde, le potentiel y décroît rapidement. La seconde couche est plusdiffuse, avec une diminution plus lente du potentiel.

2.7.3.5. Le potentiel Zéta

Le colloïde se déplace avec une partie de sa double couche. Cette couche, liée au colloïde,correspond à la couche fixe de la théorie de Stem. Le colloïde se caractérise par deux potentiels (figure 33)- E : Potentiel à la surface du colloïde ou potentiel thermodynamique (Nernst).- Z : Potentiel à la surface du plan de cisaillement ou potentiel électrocinétique.

Dans la théorie de la double couche, la coagulation est l'annulation du potentiel Zéta.

L'appareil permettant la mesure du potentiel électrocinétique est le Zétamètre.

2.7.3.6. La théorie chimique

Les énergies de liaisons covalentes étant de 20 à 50 fois supérieures aux énergies électrostatiques,une "théorie chimique" a été également introduite pour interpréter la déstabilisation des suspensionscolloïdales.

Ce modèle considère que la charge primaire d'une particule colloïdale est due à l'ionisation directedes groupements chimiques présents à sa surface (hydroxyles, carboxyles, phosphates, sulfates, ...). Ladéstabilisation se réalise par réaction covalente entre ces groupes et les ions métalliques polyvalents descoagulants.

Cette théorie montre que la précipitation simultanée d'hydroxydes métalliques et le pontage inter-particulaire sont des phénomènes importants dans la coagulation.

Les étapes de l'agrégation

1. Présentation

Diverses phases successives ou simultanées interviennent dans l'agrégation des particules (tableau 36).

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Tableau 36. Les étapes de l'agrégation

La coagulation est la déstabilisation des particules colloïdales par addition d'un réactif chimique, lecoagulantLa floculation est l'agglomération de ces particules "déchargées" en microfloc, puis en flocons volumineuxet décantables, le floc. Cette floculation peut être améliorée par l'ajout d'un autre réactif: le floculant ouadjuvant de floculation.

Deux phénomènes de transport régissent la floculation :

· La floculation péricinétique liée à la diffusion brownienne (agitation thermique).La vitesse de floculation ou variation du nombre de particules au cours du temps est donnée par :

n : Nombre de particules par unité de volumea : Fraction des chocs efficacesk : Constante de BoltzmannT : Température absolueŋ : Viscosité dynamiqued : Diamètre de la particule.

Cette floculation n'intervient que pour de petites particules dont la taille est inférieure à 1 micron. Ellefavorise la formation du micro-floc.

· La floculation orthocinétique est liée à l'énergie dissipée. L'efficacité de cette floculation qui permetd'obtenir le floc volumineux séparable est donnée par :

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Le gradient de vitesse G° n'est définissable qu'en régime laminaire, comme la différence de vitesseentre deux veines liquides adjacentes dans le plan orthogonal à leur déplacement :

Dans la pratique, on utilise un gradient de vitesse G correspondant au régime turbulent.

2. Importance du gradient de vitesse

Le gradient de vitesse est défini par :

G : Gradient de vitesse moyen s-1

P: Puissance réellement dissipée m².kg/s3 (W)ŋ : Viscosité dynamique kg/m.sV : Volume occupé par le fluide m3

Cette définition de G est applicable par extension à tout type de régime hydraulique. G dépend en particulierde la température :

Le gradient de vitesse est l'un des paramètres importants agissant sur la probabilité de rencontre desparticules. Il n'est pas possible de l'augmenter exagérément. En effet, pour des valeurs trop élevées de G, lefloc formé subit un cisaillement mécanique entraînant sa destruction. Les valeurs généralement admises pourG sont :- en coagulation: jusqu'à 400, voire 1000 s-1

- en floculation: de l'ordre de 100 s-1.

3. Les coagulants

· Cations trivalentsLa neutralisation de la charge superficielle négative du colloïde est réalisée par l'ajout de cations dans

le cas de coagulants minéraux. La coagulation est d'autant plus efficace que la valence du cation est élevée(théorie de Schulze Hardy: un ion trivalent est dix fois plus efficace qu'un ion divalent).Le choix du coagulant doit tenir compte de l'innocuité du produit choisi et de son coût.

Ainsi, les sels de fer ou d'aluminium trivalents ont été, et continuent d'être, largement utilisés danstous les traitements de coagulation d'eau.

· Influence du PhLes coagulants minéraux, par suite de leur hydrolyse, modifient les caractéristiques physico-

chimiques de l'eau à traiter (pH, conductivité) :

Par ailleurs, le pH est un paramètre primordial pour l'élimination des colloïdes.

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Le pH optimal constitue un compromis entre le pH nécessaire pour la coagulation (lié à la nature descolloïdes) et le pH nécessaire à la floculation (lié à la croissance du floc d'hydroxyde de fer ou d'aluminium).Il correspond en général au minimum de solubilité de l'hydroxyde considéré (optimisation de la phasefloculation). Ce pH et la solubilité minimale sont fortement influencés par la force ionique et la présence decomposés organiques tels que les acides humiques.

Le pH de coagulation peut être ajusté par ajout d'acide ou de base.· Taux de traitementLe taux de traitement à mettre en œuvre est donné par un essai de floculation. Il peut être ajusté par l'étudedu potentiel Zéta.· Production de boueLa formation d'hydroxyde métallique entraîne la production d'un volume de boue important. Ces boues sontà éliminer dans le processus de séparation liquide – solide ultérieur.

Des coagulants organiques peuvent également être employés. Ce sont des polyélectrolytescationiques qui neutralisent directement les colloïdes négatifs. Le volume de boue produit est alorsconsidérablement réduit.

4. Les floculants

Des polymères minéraux (silice activée) et des polymères naturels (amidon, alginate) ont d'abordété utilisés. Mais, l'apparition de polymères de synthèse très diversifiés a fait évoluer considérablement lesperformances de la floculation.

Le taux de traitement à mettre en œuvre est donné, comme pour le coagulant, parun essai defloculation. Le temps à respecter entre les ajouts du coagulant et du floculant est primordial. En effet, unfloculant n'est en général efficace que lorsque la phase de coagulation est achevée. La durée de cette dernièredépend de la nature des colloïdes, mais aussi de la température de l'eau brute. Les paramètres principaux àconsidérer sont la taille, la cohésion du floc et sa vitesse de décantation.

L'emploi de floculants de synthèse conduit souvent à un volume de boue très inférieur. Combiné àdes méthodes modernes de séparation, il peut permettre de produire des boues très épaisses, traitablesdirectement par une unité de déshydratation.

2.7.3.7. LES RÉACTIFS

Les réactifs de coagulation et de floculation sont des produits d'origine minérale, des polymèresnaturels ou des polymères de synthèse.

A. Les coagulants minéraux

Les coagulants principalement utilisés sont à base de sels d'aluminium ou de fer.On peut également, dans certains cas, utiliser des produits de synthèse, tels que les polyélectrolytescationiques décrits ultérieurement.

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A. 1. Sels d'aluminium

La réaction de base, lors de l'ajout de l'ion Al3+ dans l'eau est la formation d'un précipité d'hydroxyded'aluminium avec libération d'une certaine acidité :

Cette acidité peut réagir sur certaines espèces en solution, notamment sur les ions bicarbonates :

Cette acidité peut être compensée lors de l'ajout du coagulant par l'adjonction d'une base (soude,chaux, carbonate de sodium).

Les réactions données dans ce chapitre sont des écritures schématisées résumant ces diversesréactions. Tous les produits formés sont solubles à l'exception d'Al(OH)3 et de CaCO3. Les réactifs ajoutéssont donnés sous forme molaire.

· Sulfate d'aluminium (forme liquide ou solide)

Dose: En clarification d'eaux de surface, suivant la qualité des eaux, 10 à 150 g.m-3 exprimés en produitcommercial solide (Al2(S04),318 H2O). En traitement d'eaux résiduaires, de 50 à 300 g.m-3.

· Chlorure d'aluminium (liquide)

C'est un produit efficace mais dont l'emploi est réservé à des cas particuliers.

· Sulfate d'aluminium + chaux

Dose: pour compenser l'acidification, il faut en chaux Ca(OH)2 environ le tiers de la dose de sulfated'aluminium exprimée en produit commercial solide.

· Sulfate d'aluminium + carbonate de sodium

Deux types de réactions peuvent se produire selon la neutralisation des ions carbonates, en bicarbonates ouen CO2 libre.

Dose: il faut, en carbonate de sodium, entre 50 et 100 % de la dose de sulfate d'aluminium commercialsolide.

· Aluminate de sodium

Contrairement au cas précédent, l'aluminium est ici sous forme basique :

Il peut déplacer les ions bicarbonates et le CO2 dissous.

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Dose: en clarification d'eau de surface, 5 à 50 g.m-3 de réactif commercial à 50% d'Al2O3.

A. 2. Sels de fer

Le principe de la réaction est le même que pour les sels d'aluminium avec :

L'ion ferrique peut induire une coloration de l'eau traitée.· Chlorure ferrique (liquide, parfois cristallisé)

Dose : En clarification d'eau de surface, 5 à 150 g.m-3 de chlorure ferrique commercial solide FeCl3, 6 H2OEn traitement d'eaux résiduaires, 50 à 300 g.m-3 de chlorure ferrique commercial solide.

· Chlorure ferrique + chaux

Dose: en traitement d'eaux résiduaires il faut 50 à 500 g.m-3 de chaux pour 50 à 300 g.m-3 de chlorureferrique commercial solide.

· Sulfate ferrique (solide)

Dose: en clarification d'eau de surface, il faut 10 à 250 g.m-3 de réactif commercial Fe2(SO4)3, 9 H2O

· Sulfate ferrique + chaux

Dose: en clarification d'eau de surface, il faut en chaux Ca(OH)2 environ 50 % de la dose de sulfate ferriquecommercial Fe2(SO4)3, 9 H2O

B. Adjuvants de floculation "naturels"

B.1 Floculants minéraux

· Silice activéeLa silice activée a été le premier floculant employé. Elle donne de bons résultats principalement

quand elle est associée au sulfate d'aluminium en eau froide. Préparée juste avant utilisation parneutralisation partielle de l'alcalinité d'une solution de silicate de sodium, elle est introduite après lecoagulant :

Le taux de traitement à mettre en œuvre est de 0,5 à 4 mg.l-1 exprimé en SiO2

· Silico-aluminateLorsque le coagulant est du sulfate d'aluminium (ou un autre sel d'aluminium), l'acidité de ce produit

peut être utilisée à la place de celle de l'acide sulfurique pour réaliser l'activation du silicate de sodium.Des produits analogues à la silice activée sont obtenus tel le silico-aluminate. Dans certains cas particuliers,le silicate de sodium peut être utilisé seul.

· Autres adjuvants minéraux

En amont d'une décantation ou d'une filtration, certains produits sont utilisés pour charger une eau brute quine contient pas assez de MES. Ce ne sont pas des floculants mais ils participent à la croissance du floc et àsa densification.

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Ce sont par exemple- certaines argiles (bentonite, kaolin),- blanc de Meudon ou carbonate de calcium précipité,- Kieselguhr (diatomées),- charbon actif en poudre (utilisé principalement comme adsorbant),

B.2 Floculants organiques (polymères naturels)

Ce sont des polymères naturels extraits de substances animales ou végétales.

· AlginatesLes alginates de sodium sont obtenus à partir de l'acide alginique, lui-même extrait d'algues marines.

Les constituants essentiels de cette structure polymérique sont l'acide mannuronique et l'acide guluronique.La masse molaire est de l'ordre de 104 à 2.105.

Ce sont des produits particulièrement efficaces comme adjuvants de floculation avec les selsferriques. Ils peuvent donner également de bons résultats avec les sels d'aluminium. Les taux de traitementsont de 0,5 à 2 mg.l-1.

· AmidonsLes amidons sont obtenus à partir de pommes de terre, de tapioca ou d'extraits de graines végétales.

Ce sont des polymères de glucopyranose ramifiés et non linéaires parfois partiellement dégradés (OH-) oudérivés (carboxy - éthyl-dextrone). Ils sont appliqués entre 1 et 10 mg 1-1, de préférence avec des selsd'aluminium.

Amidons et alginates sont des produits solides qui doivent être préparés à une concentration de 5 à 10g.l-1. Leur dégradation en milieu aqueux peut être rapide quand la température extérieure est élevée (plus de20 °C). Les cuves de préparation doivent être régulièrement nettoyées (risques de fermentation).

Autres composésIl existe beaucoup d'autres floculants organiques naturels, mais ils sont surtout employés dans des

procédés industriels spécifiques (hydrométallurgie, papeterie, ...).Ce sont essentiellement des polysaccharides:- galactomannanes (gommes: Guar, Caroube),- pectines,- xanthanes (fermentation aérobie de sucres par une bactérie de genre Xanthomonas ; exemple: leRhodopol).

D'autres produits sont également rencontrés tels que les dérivés de la cellulose (carboxyméthyl-cellulose), les gélatines et les tannins.

2.7. 4. DÉCANTATION

La décantation est la méthode de séparation la plus fréquente des MES et des colloïdes.

2.7. 4. 1. DIFFÉRENTS TYPES DE DÉCANTATION

Divers types de matières décantables sont à distinguer :

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- les particules grenues décantent indépendamment les unes des autres avec chacune une vitesse de chuteconstante,- les particules plus ou moins floculées ont des tailles et des vitesses de décantation variables. Lorsque laconcentration est faible, la vitesse de chute augmente au fur et à mesure que les dimensions du flocs'accroissent par suite de rencontres avec d'autres particules, c'est la décantion diffuse.Pour des concentrations plus élevées, l'abondance des flocs crée une décantation d'ensemble freinée, le plussouvent caractérisée par une interface nettement marquée entre la masse boueuse et le liquide surnageant:c'est la décantation en piston.

A. Décantation des particules grenues

C'est le cas le plus simple, le seul facilement décrit par des équations.

A.1. Théorie

Lorsqu'une particule grenue est laissée dans un liquide au repos, elle est soumise à une force motriceFM (pesanteur) et à une force résistante FT (traînée du fluide) résultante des forces de viscosité et d'inertie(rassemblés sous forme de floc après une étape de coagulation-floculation).

QS, Q1 : masses volumiques de la particule grenue et du fluide,d,s,v : diamètre, surface et volume de la particule grenue,V : vitesse de décantation de la particule,g: accélération de la pesanteur,C : coefficient de traînée (adimensionnel). Très vite un équilibre s'établit et la décantation de la particuleassimilée à une sphère se fait à vitesse constante Vo

A.2. Régime hydraulique

La valeur de C, coefficient de traînée, est définie par la perturbation, elle-même fonction de lavitesse de chute. Cette perturbation est caractérisée par le nombre de Reynolds de grain défini par :

Re = adimensionnel, avecŋ = viscosité dynamique.

Si Re est petit, les forces de viscosité sont bien supérieures aux forces d'inertie.Si Re est grand, les forces de viscosité sont négligeables.

Le coefficient de traînée est donné par :C = a Re-n avec a et n constantes.

Le tableau ci-contre donne les différentes valeurs de a, n et C en fonction du nombre de Reynolds (abaqueségalement disponibles).

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Ces formules sont à la base du calcul du mouvement des grains dans un fluide et sont utilisées endécantation (solides grenus dans un liquide, gouttes d'eau dans l'air), en ascension (bulles d'air dans l'eau,gouttes d'huile dans l'eau), en centrifugation, en fluidisation.

En régime laminaire, la loi de Stokes donne:

A.2.1. Conditions de capture

· Décantation à flux verticalLes particules dont la vitesse de sédimentation est supérieure à la vitesse ascendante du liquide sont

retenues.

· Décantation à flux horizontal (figure 39)-Soit un décanteur rectangulaire de longueur L et de section verticale s (où H est la hauteur d'eau et 1 lalargeur), traversé uniformément par un débit Q.- La vitesse d'une particule entrant dans le bassin à son niveau supérieur a deux composantes VI : vitessehorizontale du fluide égale à Q/s, V0: vitesse verticale limite donnée par la loi de Stokes.Cette particule est retenue dans le bassin si :

SH : surface horizontale du bassin,VH : vitesse de Hazen (ou charge hydraulique superficielle).

Il est à noter que VH est indépendant de la profondeur du bassin.

Toutes les particules ayant des vitesses de sédimentation supérieures à VH seront théoriquementéliminées. Toutefois, si l'alimentation en eau est répartie sur toute sa hauteur, une partie des particules ayantune vitesse de décantation V inférieure à la vitesse de Hazen sera aussi retenue dans le rapport V/VH. Dansun décanteur à flux vertical, ces particules ne seraient pas retenues.

Théoriquement, à surface horizontale égale, un décanteur à flux horizontal permet donc la séparationd'un plus grand nombre de particules (figure 40). Dans la pratique, cette différence est atténuée, voireinversée, pour les raisons suivantes liées à la décantation à flux horizontal- difficulté de répartition hydraulique sur un plan vertical aussi bien à l'entrée qu'à la sortie de l'ouvrage,- accumulation et collecte des boues,- dans un décanteur circulaire à flux horizontal, la composante horizontale de la vitesse de la particule (V1)diminue du centre vers la périphérie et sa trajectoire devient curviligne.

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C. Décantation en piston des particules floculées

Dès que la concentration en particules (loculées devient importante, les interactions entre particulesne sont plus négligeables. La décantation est freinée.

Les particules adhèrent entre elles et la masse décante en piston avec formation d'une interface netteentre les flocs et le liquide surnageant.

Ce phénomène est caractéristique des boues activées et des suspensions chimiques floculées quandleur concentration est supérieure à environ 500 mg.l-1.

A.2.2 Décantation dise des particules floculées

Lors de la décantation, la floculation se poursuit et lavitesse de sédimentation des particules Vo augmente (figure 41).Ce processus se produit dès que la concentration en matièresfloculées est supérieure à environ 50 mg.l-1.

L'efficacité de la décantation diffuse est liée nonseulement à la charge hydraulique superficielle, mais aussi autemps de séjour.

Il n'existe pas de formule mathématique permettant lecalcul de la vitesse de décantation. Des essais de laboratoire etdes méthodes graphiques permettent alors de connaître cettevitesse.

La figure 42 donne les résultats d'un tel essai.

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2.7. 4. 2. CALCUL DES DÉCANTEURS

La surface d'un décanteur est déterminée à l'aide de deux critères :

- la charge hydraulique superficielle caractérisant le volume d'effluent à traiter par unité de surface et detemps (m3/m2.h),- le flux massique caractérisant la quantité de MES à décanter par unité de surface et de temps (kg/m2.h).

A. Influence de la charge hydraulique superficielle

Cette charge est directement liée à la vitesse de décantation des MES. Les paragraphes précédentsindiquent que cette vitesse est déterminée par la loi de Stokes dans le cas de particules grenues et peut êtremesurée facilement dans le cas de la décantation diffuse de particules floculées.Le dimensionnement des décanteurs ne dépend dans ces cas que de la charge hydraulique superficielle.

B. Influence du flux massique

Dans le cas de la décantation freinée des particules floculées où les phénomènes d'épaississementinterviennent, le flux massique est généralement déterminant pour le calcul de la surface de décantation.Soit un décanteur de section S alimenté par un débit d'entrée QE avec la concentration en MES CE; les bouessont soutirées à sa partie inférieure à un débit QS avec la concentration CS.

En l'absence de réactions chimiques ou biologiques influençant les concentrations en MES, et enconsidérant un rendement d'élimination de 100 %, on a:- débit traité Q = QE - QS

- bilan matières QSCS = QECE

Ou en flux massique :

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2.7. 4.3. STRUCTURE DES DECANTEURS

En pratique, il n'y a pas de décanteur idéal: des tourbillons se produisent au sein du liquide, le ventpeut créer des vagues à sa surface; des courants de convexion liés aux différences locales de température(ensoleillement) et de densité affectent le rendement de décantation. Il faut s'efforcer d'obtenir autant quepossible une circulation laminaire et stable caractérisée par des valeurs appropriées du nombre de Reynolds.

Par ailleurs, le nombre de Froude permet d'apprécier la stabilité d'un processus circulatoire lorsquel'écoulement est influencé principalement par la force de gravité et les forces d'inertie.

Plus la circulation est stable, plus la distribution des vitesses est uniforme sur toute la section dubassin. Des circulations stables se caractérisent par des nombres de Froude élevés.En pratique, on peut définir les rapports H/L ou H/R, H étant la hauteur mouillée des décanteursrectangulaires de longueur L ou circulaires de rayon R. En se fixant un temps de séjour de deux heures,Schmidt-Bregas donne :

- décanteurs rectangulaires à flux horizontal :

- décanteurs circulaires:

La forme de l'ouvrage, l'organisation du dispositif d'alimentation en eau brute et de celui de collected'eau traitée ainsi que le mode d'évacuation des boues ont aussi une grande influence sur le rendementhydraulique du décanteur.

Dans le cas d'eaux ou de liqueurs très chargées en MES les "courants de densité" peuvent provoquerune distribution inappropriée des vitesses. Tel est le cas par exemple des décanteurs rectangulairesconventionnels trop longs utilisés pour la clarification des liqueurs de boues activées.

Les courants de convection dus aux effets de température (ensoleillement, eau chaude) et lesperturbations liées aux variations de salinité (eaux d'estuaire, ERI) sont à prendre en compte dans ledimensionnement (ainsi que l'exploitation du décanteur).

2.7. 4. FILTRATION

ÉQUATIONS DE BASELa filtration est un procédé de séparation qui utilise le passage d'un mélange solide-liquide à travers unmilieu poreux (filtre) qui retient les particules solides et laisse passer le liquide (filtrat).

2.7. 4.1. Loi générale

La filtration étant l'écoulement d'un liquide dans un milieu poreux est régie, pour les vitessesusuellement appliquées en traitement d'eau, par la loi de Darcy :

OùV : vitesse de filtration,K : perméabilité de la couche filtrante,ΔP : perte de charge à travers la couche filtrante,ΔH: hauteur de couche considérée,ŋ : viscosité dynamique de l'eau,R : résistance à la filtration de la couche filtrante.

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La perte de charge ΔP est proportionnelle à la vitesse de filtration V, à la viscosité dynamique de l'eau, à lahauteur de couche et inversement proportionnelle à la perméabilité du milieu.On distingue trois grandes catégories de processus de filtration selon le mode de mise en œuvre :

- la filtration sur support,- la filtration sur lit granulaire,- la filtration avec gâteau.

Suivant les caractéristiques des particules à retenir et du matériau filtrant mis en œuvre, peuventintervenir l'un ou plusieurs des trois mécanismes principaux suivants: capture, fixation et détachement.

2.7. 4.2. Mécanismes de capture

Ils sont essentiellement de deux natures· Tamisage mécanique: il s'agit de la rétention des particules plus grosses que la maille du filtre ou quecelle des éléments déjà déposés formant eux-mêmes matériau filtrant.Ce phénomène intervient d'autant plus que la maille du matériau filtrant est plus fine: il est de peud'importance pour un lit filtrant composé de matériau relativement grossier, par contre il est prépondérantdans une filtration sur support mince: tamis, manchon filtrant, etc.· Dépôt sur le matériau filtrant: la particule en suspension suit dans le liquide une ligne de courant; sataille, comparée à celle des pores, pourrait lui permettre de traverser le matériau filtrant sans être arrêtée.

Différents phénomènes entraînent cependant un changement de trajectoire et le contact avec lematériau.On distingue en particulier :- l'interception directe par frottement,- la diffusion par mouvement brownien,- l'inertie de la particule,- la décantation: par leur poids les particules peuvent se déposer sur le matériau filtrant quel que soit le sensde filtration.Ces différents mécanismes de capture interviennent principalement dans la filtration en profondeur.

2.7. 4.3. Mécanismes de fixation

La fixation des particules à la surface du matériau filtrant est favorisée par une faible vitesse d'écoulement.Elle est due à des forces d'origine physique (coincement, cohésion...), et à des forces d'adsorption,principalement les forces de Van der Waals.

2.7. 4.4. Mécanismes de détachement

Sous l'action des mécanismes précédents, il se produit une diminution de l'espace entre les parois dumatériau recouvertes de particules déjà déposées. Il y a alors augmentation de la vitesse d'écoulement. Lesdépôts déjà retenus peuvent se détacher partiellement et être entraînés plus avant dans le matériau filtrant oumême dans le filtrat.

Les particules solides contenues dans un liquide et les particules colloïdales plus ou moins floculéesn'ont pas les mêmes caractéristiques et ne réagissent pas dans la même proportion aux divers mécanismesprécédents. La filtration directe d'un liquide dont les matières en suspension conservent leur état et leurcharge électrique est donc très différente de la filtration d'un liquide coagulé.

2.7. 4.5. Colmatage et lavage du matériau filtrant

On appelle colmatage l'obstruction progressive des interstices du matériau filtrant. Le colmatageprovoque une augmentation de la perte de charge.Si l'on fonctionne à pression d'alimentation constante, le débit du filtrat baisse. Si l'on désire maintenir cedébit constant, il faut augmenter la pression initiale au fur et à mesure du colmatage.

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La vitesse de colmatage dépend :- des matières à retenir: elle est d'autant plus grande que le liquide est plus chargés en MES, que ces matièresont une plus grande cohésion et qu'elles sont susceptibles, elles mêmes, de prolifération (algues, bactéries),- de la vitesse de filtration,- des caractéristiques de l'élément filtrant: dimension des pores, homogénéité, rugosité, forme du matériau.

Le filtre est colmaté lorsqu'il a atteint la perte de charge maximale prévue par construction. Il importede le ramener à son état initial par un lavage efficace et économique dont le mode est lié au type de filtre et àla nature des éléments retenus.

2.7. 4.6. Choix du mode de filtration

Le choix entre les divers types de filtration sur support et la filtration sur lit filtrant dépend de plusieurscritères- caractéristiques du liquide à filtrer, de ses impuretés et de leur évolution dans le temps,- qualité du filtrat à obtenir et tolérances admises,- qualité de l'agglomérat des matières retenues lorsque le but est de les récupérer,- conditions d'installation,- possibilités et moyens disponibles pour le lavage.

La possibilité d'un lavage aisé, efficace et économique est aussi importante dans le choix du filtre quel'obtention de la meilleure qualité de filtration, étant donné que cette dernière ne se conserve dans le tempsque si le lavage permet de maintenir toujours intact le matériau filtrant.

2.7. 4.6. Types de filtres

Cette latitude théorique dans le choix des caractéristiques d’un filtre est tempérée par l’expérience.En fait, les eaux admises sur les filtres, qu’elles soient brutes et légèrement coagulées ou au contraireprétraitées par coagulation et sédimentation, restent peu chargées en matières en suspension et, au fil dutemps, deux types de filtres ouverts se sont trouvés définis :

— type américain de granulométrie fine (0,5 mm) et faible épaisseur (0,5 m) ;— type européen de granulométrie moyenne (0,8 à 1,5 mm) et d’épaisseur plus élevée (0,9 à 1,2 m) (figures23 et 24).

Pour ces deux types, la vitesse de filtration optimale est de l’ordre de 5 à 7 m/h (certains filtresaméricains ont, dans le passé, été définis pour des vitesses excessives 10 m/h). Il faut également noter que letype américain n’était décolmaté que par retour d’eau, alors que le filtre européen combine le décolmatage àcontre-courant par l’eau et par l’air, alternativement et simultanément, à grand et petit débits. La séquencede lavage doit être adaptée au type de filtre, au matériau filtrant, et à la nature de l’eau à traiter. Le lavagedoit décolmater à cœur, sans entraîner de perte de matériau.

On réalise également des filtres bicouches (figure 25) ou multicouches dans lesquels le lit offre àl’eau, dans le sens de son écoulement, une granulométrie décroissante ; ainsi, les eaux les plus chargées (àl’entrée des filtres) doivent colmater moins rapidement les couches (supérieure parce que les canaliculessont plus importants, et inférieure parce que théoriquement protégée par le dégrossissage des couchessupérieures) que dans le cas de granulométrie dite homogène où les matières fines se trouvent, après lesopérations de lavage, concentrées dans la partie supérieure. Pour éviter le mélange des couches degranulométries différentes, on joue sur la densité du matériau : par exemple, houille pour les gros grains,quartz pour les moyens, grenat pour les plus fins. En fait l’intérêt peut-être principal des couches multiplesest d’associer des matériaux aux propriétés différentes et complémentaires, comme le sable et l’anthracite, etmême le sable et le charbon actif en grains (qui agit directement sur les micropolluants).

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Les filtres fermés avec une alimentation sous pression sont moins tributaires des pertes de chargeet offrent une latitude d’optimisation plus étendue. Ils sont cependant plus onéreux que les filtres ouverts etne sont utilisés que lorsque les conditions locales en rendent l’emploi particulièrement intéressant,notamment lorsqu’il s’agit de clarifier une eau peu chargée à l’aval d’une station de pompage (figure 29).

En dehors de leur effet clarificateur, les filtres peuvent être le siège de réactions biologiques, êtrespécialement conçus pour la neutralisation, la déminéralisation, la mise en équilibre carbonique d’une eau,tout en associant éventuellement une fonction de clarification. En ce qui concerne le charbon actif en grains(CAG), on utilise des ouvrages analogues qui servent de réacteurs d’adsorption, car il faut éviter d’utiliser leCAG comme matériau filtrant.

2.7. 5. OXYDATION – DÉSINFECTION

2.7. 5. 1 OXYDATION PAR L'AIR

Ces techniques utilisent l'oxygène de l'air et suivent les lois de l'échange gaz - liquide. Il fautrappeler que l'oxygénation d'une eau par aération peut entraîner une modification importante, et nonsouhaitée, du caractère incrustant ou agressif de l'eau: le stripage du CO, tend à rendre l'eau incrustante etpeut conduire à une précipitation du carbonate de calcium.

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On peut classer les procédés d'oxydation par le mode de mise en contact des phases liquide et gazeuse:- ruissellement,- pulvérisation dans l'air,- injection d'air dans la masse liquide.

La perte de charge créée par les aérateurs varie très fortement suivant la technique mise en œuvreet modifie en conséquence la ligne piézométrique de la station. Elle peut varier de quelques centimètres,avec les procédés par bullage, à plus de un bar avec les procédés par pulvérisation.

2.7. 5. 2 OXYDATION ET DÉSINFECTION PAR LE CHLORE

A. Sources de chlore

On utilise le plus souvent soit le chlore, soit les hypochlorites.. Chlore gazeuxIl est stocké et livré sous forme liquide dans des récipients sous pression.. Hypochlorite de sodiumLes solutions sont caractérisées par leur teneur en chlore actif, qui s'évalue en degrés chlorométriques.1 degré chlorométrique = 3,17 g de Cl2 par litre de solution.La solution commerciale technique, appelée extrait de javel, titre 47 à 50 °

B. Domaines d'emploi

Les installations de stockage de chlore liquide sont soumises à déclaration ou autorisation suivantla quantité de produit stocké et, de ce fait, doivent respecter les prescriptions imposées aux installationsclassées. Il faut, dans tous les cas, se reporter à la réglementation du pays considéré.

C. Mise en contact

Le chlore et ses dérivés sont employés pour les eaux de consommation et de piscine, dans lescircuits de refroidissement et également pour le traitement tertiaire des effluents urbains.

Le temps de contact nécessaire est essentiellement lié au but visé. A fin de désinfection, il peutatteindre jusqu'à deux heures. Pour des oxydations chimiques, il peut être limité à quelques minutes. Il estimportant que le mélange de la solution chlorée avec l'eau à traiter soit parfaitement et rapidement obtenu.

2.7. 5. 3 OXYDATION ET DÉSINFECTION PAR LE DIOXYDE DE CHLORE

Le dioxyde de chlore est un gaz de couleur jaune et d'odeur piquante. Il est à 10 % en volume dans l'air.

A. Mode de préparation

Le dioxyde de chlore est toujours produit "in situ", par réaction d'une solution de chlore ou d'acidechlorydrique sur le chlorite de sodium. Le choix entre les deux procédés est surtout dicté par la possibilité ounon d'un stockage de chlore gazeux. Les deux procédés nécessitent des préparations et des dispositionsspéciales pour en assurer la sécurité. Utilisé en désinfection, l'obtention d'un résiduel de ClO2 en fin deréseau nécessite parfois l'emploi de doses élevées de cet oxydant, du fait de la réduction du C102 par les MOde l'eau; on constate alors dans l'eau traitée un goût désagréable dû à l'ion ClO2

-, par ailleurs indésirable dufait de sa toxicité. De nombreux pays ont limité le taux deClO2 utilisable en désinfection (0,5 ou 1 mgl-1 parexemple).

Le ClO2 a parfois été utilisé en préoxydation, mais il faut alors vérifier que le ClO2- produit par

l'oxydoréduction des MO contenues dans l'eau brute, est bien éliminé au long de la chaîne de traitementmise en œuvre.

B. Domaine d'emploi

Le dioxyde de chlore est un agent très oxydant, à haut pouvoir décolorant et désodorisant. Sonaction désinfectante vis-à-vis des micro-organismes est plus rapide que celle du chlore, son effet rémanentest également plus marqué. Il doit être utilisé de préférence au chlore lorsque l'eau à traiter contient des

39

traces de phénols susceptibles de se combiner avec le chlore et de donner à l'eau un goût désagréable dechlorophénols. Il oxyde rapidement les sels de fer qui peuvent ensuite précipiter sous forme d'hydroxydeferrique insoluble. De la même façon, utilisé en excès, à des doses variables avec le pH de l'eau, il oxyde lessels de manganèse sous forme de dioxyde de manganèse.

C. Mise en œuvre

Les mêmes précautions que pour le chlore doivent être prises pour obtenir un bon mélange etéviter les courts-circuits.

2.7. 5. 4 OXYDATION ET DÉSINFECTION PAR L'OZONE

A. Caractéristiques physiques et thermodynamiques

L'ozone est une variété allotropique de l'oxygène de formule O3. Sous forte épaisseur, l'ozoneprésente une couleur bleue caractéristique.

B. Domaines d'utilisation

L'action de l'ozone peut être recherchée pour:Eaux de consommation- l'amélioration des qualités organoleptiques (couleur, seuil de dégustation),- l'action bactéricide et virulicide,- l'oxydation des matières organiques,- l'oxydation de micropolluants,- l'oxydation de métaux en solution (déferrisation - démanganisation),- et l'amélioration de la biodégradabilité avant charbon actif en grains, ...Piscines- l'amélioration des qualités visuelles,- la mise en place d'une barrière virulicide dans le circuit de régénération,- la dégradation de certaines substances aminées.Eaux industrielles- l'oxydation sous toutes ses formes,- la détoxication,- la décoloration,- la désodorisation,- l'amélioration éventuelle de la biodégradabilité avant traitement biologique.Eaux usées urbaines- la désinfection d'eaux usées préalablement épurées, en particulier associée à un traitement par bouesactivées à l'oxygène pur,- la désodorisation, en particulier du traitement des boues.

2.7. 6. TRAITEMENTS SPECIFIQUES

2.7. 6.1. DEFFERISATION (ÉLIMINATION DU FER)

A. États naturels du fer

Dans les eaux de surface, le fer se trouve généralement sous forme ferrique et précipitée, souventassocié aux MES. On le rencontre également sous forme ferreuse dans les couches profondes de certainesréserves d'eau en l'absence d'oxygène, ou dans les eaux souterraines. Le fer réduit (Fe2

+) est alors dissous etsouvent complexé. Le fer ferreux est soit sous forme Fe2

+, soit sous forme d'ions hydratés: FeOH+ ouFe(OH)3

-. Dans les eaux dont le TAC est notable, l'ion Fe2+ se rencontre surtout à l'état d'hydrogéno-

carbonate (ou bicarbonate) et sa solubilité, déduite des lois régissant les équilibres chimiques, suit lesrelations :

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D’où :

En présence d'H2S la solubilité est plus faible (à cause de la faible valeur du produit de solubilitédu sulfure ferreux qui, de ce fait, précipite).· Le fer complexé. Il s'agit de complexes faisant intervenir Fe2

+ ou Fe3+

- minéraux: silicates, phosphates ou polyphosphates, sulfates, cyanures...- organiques: il pourra s'agir, en réalité, de phénomènes de complexation proprement dite, de chélation oupeptisation, en particulier avec les acides humiques, fulviques, tanniques...

Pour définir un traitement de déferrisation, il ne suffit donc pas de connaître la teneur totale en fer,mais aussi les différentes formes sous lesquelles cet élément est susceptible de se présenter; les différentsétats du fer dans l'eau sont résumés dans la figure 798. Il est nécessaire de déterminer sur place la plusgrande partie des caractéristiques de l'eau, après avoir procédé à une exploitation suffisante du forage pourêtre certain de la représentativité de l'échantillon. Il est indispensable de mesurer ainsi: pH, potentiel redox,O2 dissous, (CO2), libre.

En pratique, le problème est déjà bien défini si l'on tonnait : fer total, fer total dissous, Fe2+ total,

Fe2+ dissous; l'élimination des formes dissoutes pose des problèmes, surtout en présence de fer complexé.

Dans le cas d'impossibilité de procéder à des analyses détaillées sur le terrain, on peut supposer la présencede complexes, donc de difficultés de traitement, si la teneur totale en fer dissous est supérieure à la valeur dela solubilité théorique, déduite du pH et de l'alcalinité à partir des relations précédentes.

B. Déferrisation avec décantation

Il est nécessaire d'intercaler une décantation entre l'aération et la filtration dans les cas suivants- dose de fer élevée dans l'eau brute, conduisant à un volume de précipité excessif,- présence de couleur, de turbidité, d'acides humiques, d'agents complexants, etc., provoquant unediminution importante de la cinétique d'oxydation et de précipitation du fer, et/ou impliquant l'adjonction

41

d'un coagulant (sulfate d'aluminium ou chlorure ferrique) à une dose supérieure à une dizaine de g.m-3 deproduit commercial.

Les procédés de décantation à contact de boues conviennent alors tout particulièrement autraitement de ces eaux.Une aération doit obligatoirement précéder la décantation si l'eau brute est dépourvue d'oxygène.

C. Traitement associé à une décarbonatation

La décarbonatation à la chaux, génératrice d'un pH élevé, est favorable à l'élimination du fer et dumanganèse. Ainsi, la précipitation du carbonate ferreux est pratiquement totale à Ph 8,2 et celle del'hydroxyde ferreux à pH 10,5. En présence d'un potentiel redox élevé, le fer (II) dissous peut être précipitésous forme de Fe(OH)3

Pour le manganèse, les pH de précipitation sont voisins de 9,2 pour le carbonate et de 11,5 pourl'hydroxyde, respectivement. Une décarbonatation partielle, à pH voisin de 8, peut donc entraider unedéferrisation complète. Dans certains cas, en particulier dans les appareils à décarbonatation catalytique, lemême pH permet une démanganisation satisfaisante, alors que théoriquement elle devrait être associée à unedécarbonatation totale à pH 9,5 ou 10.

2.7. 6.1. DEMANGANISATION (ÉLIMINATION DU MANGANÈSE)

A. État naturel

Le manganèse est un élément très souvent présent dans les sols. On peut rencontrer de nombreuxminerais de manganèse, généralement des oxydes et quelquefois des carbonates.

Dans les eaux naturelles, le manganèse est généralement présent sous forme soluble ionisée Mn2+ et

MnOH+. Il peut former des complexes avec les bicarbonates, les sulfates et silicates présents en mêmetemps, ainsi qu'avec certaines MO. Le manganèse est souvent présent dans les eaux naturelles en associationavec le fer et l'ammonium. Mais il existe aussi des cas où le manganèse est présent seul.

B. Oxydation par l'oxygène

Le manganèse Mn2+ est très lentement oxydable par l'oxygène. MORGAN propose la relation :

L'oxydation par l'oxygène n'atteint une vitesse appréciable que pour un pH supérieur à 9,5.L'oxydation de Mn2

+ par l'oxygène dépend de la température: elle est cinq fois plus rapide quand on passe de11 °C à 22 °C; mais aux pH habituels, les temps de contact restent difficilement compatibles avec uneexploitation industrielle.

La présence de dioxyde de manganèse "catalyse" la réaction. C'est ce qui est observé sur certainesinstallations, après un certain temps de fonctionnement avec d'autres oxydants ayant conduit à la"manganisation" du sable filtrant.

En réalité, il y aurait adsorption de Mn2+ sur MnO2 et l'oxydation lente du Mn2

+ en MnO2 peut alorsse poursuivre in situ selon la suite de réactions :

Un sable manganisé, c'est-à-dire enrobé de Mn02, peut servir de support à cette réaction, mais cettemanganisation est difficilement contrôlable. On a constaté, dans certains cas, l'impossibilité de l'obtenirmême en utilisant du permanganate de potassium.

C. Oxydation par le dioxyde de chlore

La réaction est la suivante :

42

Il faut 2,5 g de ClO2 pour oxyder 1g de Mn2+. L'oxydation par le dioxyde de chlore est peu utilisée car elle

est relativement lente et nécessite, pour obtenir une vitesse acceptable, de dépasser largement lastœchiométrie, compte tenu des MO présentes dans l'eau qui consomment une partie du dioxyde de chloreintroduit, en réduisant le C1O2 en ions chlorite C1O2

-, indésirables dans une eau traitée.

D. Oxydation par le permanganate de potassium

Il y a oxydoréduction entre le manganèse manganeux et le permanganate :

La proportion théorique est de 1,9 g de KMnO4 pour 1g de Mn, mais en pratique elle varie avec lepH et la composition de l'eau. En effet, une partie du permanganate participe à l'oxydation de certaines MOréductrices présentes dans l'eau. En outre, il est indispensable de bien contrôler la dose introduite: un excèsde KMnO4 donne à l'eau une couleur rose, virant ensuite au jaune dans le réseau de distribution.

Si le manganèse n'est pas complexé, le pH optimal se situe vers 7,2-7,3 pour un temps de contactinférieur à 5 min. Lorsque le manganèse est complexé à des MO, le temps de réaction peut monter jusqu'à20 min. Il est possible, dans ce cas, de régler le pH au dessus de 8,5 pour accélérer la réaction.

Sur des eaux de surface douces, colorées, contenant une quantité importante de M0, et nécessitantune clarification totale par coagulation-floculation avec décantation (eaux de régions granitiques des massifsprimaires, par ex.), la chaîne de traitement à mettre en œuvre est alors la suivante (figure 808).

2.7. 6.1. ÉLIMINATION BIOLOGIQUE SIMULTANEE DU FER ET DU MANGANESE

43

Chapitre 3 : LES EAUX USEES URBAINES ET INDUSTRIELLES

3.1. LES EAUX USEES URBAINE

3.1.1 PARAMETRES DE LA POLLUTION

Les eaux usées sont des milieux extrêmement complexes, aussi se réfère-t-on à quelques paramètres pourles caractériser. Ils sont généralement exprimés en mg/L.

Les matières en suspension (MES) : c’est la fraction non dissoute de la pollution. Les arrêtésministériels de 1994 et 1995 relatifs aux conditions de détermination de la qualité minimale d’un rejetd’effluents urbains précisent : « Les matières en suspension, et particulièrement la fraction décantablede celles-ci, peuvent constituer, à l’aval du rejet, des dépôts qui empêchent la vie d’une faune et d’uneflore benthiques normales et qui dégradent la qualité de l’eau sous-jacente par le produit desfermentations. Les MES contribuent aussi à déséquilibrer le milieu aquatique en accroissant laturbidité et peuvent avoir un effet néfaste direct sur l’appareil respiratoire des poissons. »

La demande biologique en oxygène (DBO) est un paramètre global qui exprime la quantitéd’oxygène qu’une biomasse épuratrice va consommer pour décomposer les matières organiquescontenues dans l’effluent. Elle est donc représentative de la somme des matières organiquesbiodégradables. Elle est généralement mesurée en 5 jours (DBO5).

La demande chimique en oxygène (DCO) est, elle, représentative de la quantité de matièresorganiques oxydables par voie chimique.

Le rapport entre ces deux paramètres peut donner une idée de la biodégradabilité de l’effluent. Lacirculaire déjà citée rappelle : « La DBO et la DCO sont deux moyens d’apprécier la teneur en matièresorganiques oxydables. La dégradation de celles-ci dans le milieu naturel s’accompagne d’une consommationd’oxygène et peut entraîner un abaissement excessif de la concentration d‘oxygène dissous. »

L’azote peut se trouver sous forme minérale (ammoniacal, nitrate) ou organique. La présence d’azoteorganique ou ammoniacal se traduit par une consommation d’oxygène dans le milieu naturel et parune entrave à la vie des poissons.

Le phosphore peut également se trouver sous forme minérale (en provenance des lessives ou desrejets industriels) ou organique. Élément indispensable à la vie des algues, la présence de phosphoreentraîne un risque d’eutrophisation du cours d’eau ou du lac, c’est-à-dire que celui-ci peut se voirenvahi par un développement excessif de la population algale.

On mesure également la quantité de germes et de virus, les teneurs en graisses, détergents etmétaux lourds. Chacun de ces paramètres représente une nuisance potentielle. Pour une meilleureadaptation du traitement, les paramètres globaux s’avèrent insuffisants et l’utilisation de modèlesmathématiques pour simuler les processus d’épuration exige une meilleure connaissance des différentesfractions constituant la pollution à traiter :

— la fraction décantable, qui correspond à la pollution particulaire et qui pourra être enlevée par unsimple traitement physique, telle la décantation ;

— la fraction colloïdale, qui correspond à la pollution pouvant floculer par ajout de réactif et êtreenlevée par traitement physique ;

— la fraction soluble, qui correspond à la pollution qui sera éliminée spécifiquement par voiebiologique. Une partie de cette pollution soluble n’est pas biodégradable, elle correspond à des moléculescomplexes (certains détergents et pesticides) et se retrouvera dans l’effluent final. Pour déterminer la part deces différentes fractions, des analyses complémentaires sont nécessaires :

— MES, DCO, DBO5 après décantation 2 h (ad2) dans un bécher ;— DCO, DBO5 solubles, après filtration.La part de pollution non biodégradable peut être déterminée par une mesure dite de « DCO dure »

qui consiste en la mesure de la DCO soluble de l’eau à analyser après son aération pendant 15 à 20 j.

44

3.1.2 OBJECTIFS DU TRAITEMENT

On propose à titre indicatif les deux tableaux suivants :

3.1.3 ÉTAPES DU TRAITEMENT

3.1.3.1 PRETRAITEMENT

Tout traitement de dépollution doit comporter ce qu’il est convenu d’appeler un « prétraitement » quiconsiste en un certain nombre d’opérations mécaniques ou physiques destinées à extraire le maximumd’éléments dont la nature et la dimension constitueraient une gêne ultérieurement. Ces opérations sont : ledégrillage, le dessablage et le déshuilage.

3.1.3.1.1 Dégrillage

L’eau brute passe à travers des grilles composées de barreaux placés verticalement ou inclinés de 60à 80° sur l’horizontale. L’espacement des barreaux varie de 6 à 100 mm. La vitesse moyenne de passageentre les barreaux est comprise entre 0,6 et 1 m/s. (voir Chapitre 1).

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3.1.3.1.2 Dessablage

Le dessablage s’effectue sur des particules de dimensions supérieures à 200 mm. La vitesse desédimentation se calcule par la loi de Stokes (chute libre). On calcule la section du dessableur de manièreque la vitesse de l’eau ne descende pas au-dessous de 0,30 à 0,20 m/s ; on évite ainsi que les matièresorganiques se déposent en même temps que les sables.

Les ouvrages à prévoir pour obtenir une vitesse d’écoulement de 0,30 m/s sont, par ordred’importance :— les dessableurs couloirs (à écoulement rectiligne), dont la vitesse d’écoulement est variable ou constante ;— les dessableurs circulaires, à alimentation tangentielle ou à brassage mécanique ou à insufflation d’air(pour éviter le dépôt de matières organiques, en heures creuses, avec faible débit) ;— les dessableurs rectangulaires à insufflation d’air. On insuffle de l’air qui provoque une rotation deliquide et crée ainsi une vitesse constante de balayage du fond, perpendiculaire à la vitesse du transit,laquelle, beaucoup plus faible, peut alors être variable sans inconvénient. Le sable est extrait soitmécaniquement par raclage vers un poste de réception, puis repris par pompage, soit directement par pompesuceuse montée sur pont roulant.

Le sable séparé contient malgré tout des matières organiques et plusieurs dispositifs sont appliquéspour améliorer sa qualité : lavage par hydrocyclone, extraction des fosses de stockage par des moyensmécaniques qui font, en même temps, office de laveur de sable (vis d’Archimède en auge inclinée,classification à mouvement alternatif...). Le volume de sable extrait par habitant et par an est de l’ordre de 5à 12 dm3.

3.1.3.1..3 Déshuilage-dégraissage

Le déshuilage-dégraissage se rapporte à l’extraction de toutes les matières flottantes d’une densitéinférieure à celle de l’eau. Ces matières sont de natures très diverses et leur quantité s’estime par la mesuredes « matières extractibles par solvants ». La teneur des eaux usées en matières extractibles est de l’ordre de30 à 75 mg/L. Néanmoins, certains rejets industriels (abattoirs, laiteries...) peuvent élever ces valeurs à 300-350 mg/L. Les huiles et graisses, lorsqu’elles ne sont pas émulsionnées, sont séparées sous forme de bouesflottantes dans des ouvrages comportant une zone d’aération où les bulles d’air augmentent la vitesse demontée des particules grasses et une zone de tranquillisation où s’effectue la récupération.

Le temps de séjour dans ce type d’ouvrage est de 5 à 12 min. Le débit d’air insufflé est de l’ordre de0,2 m3 par mètre cube d’eau et par heure.

Le plus souvent, les fonctions de dessablage et de déshuilage sont combinées dans un même ouvragequi met en œuvre les principes de fonctionnement cités précédemment (figure 2).

3.1.3.1..3 Décantation

La décantation se distingue du dessablage en ce sens qu’elle enlève plus de la moitié des matières ensuspension, alors que le dessablage ne vise que l’élimination du sable et des autres matières minérales (pluslourdes que les matières organiques).

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A. Décantation classique

Le paramètre de dimensionnement pour les ouvrages de décantation classique est essentiellement lavitesse ascensionnelle V. Les particules dont la vitesse de sédimentation est supérieure à la vitesseascendante sont retenues. En pratique courante, V est comprise entre 1 et 2 m/h sur la pointe de débit Q detemps sec (hors période de pluie). À partir de cette vitesse ascensionnelle, la surface S des bassins estdéterminée par :

Pour avoir une bonne qualité d’eau décantée, une sédimentation efficace et un épaississement correctdes boues, différentes zones horizontales de l’ouvrage sont déterminées : zone d’eau claire, zone desédimentation et zone d’épaississement. La zone d’eau claire est comprise entre 0,5 et 1 m de haut, la zonede sédimentation entre 1,5 et 2,5 m et enfin la zone d’épaississement entre 0,5 et 1,5 m. Il existe denombreux types de décanteurs classiques qui se distinguent, d’une part d’après le sens d’écoulement deseaux et, d’autre part, d’après les dispositions adoptées pour l’évacuation des boues :— décanteur horizontal avec raclage des boues (figure 3) ;— décanteur cylindro-conique ordinaire (figure 4) ;— décanteur circulaire avec raclage des boues (figure 5).Le raclage s’effectue au moyen d’un pont racleur qui entraîne une ou plusieurs lames poussant les bouesvers une ou plusieurs trémies.

B. Décantation lamellaire

De conception plus moderne, ces ouvrages reposent sur le fait que la seule grandeur fondamentale estla surface horizontale Sh de l’ouvrage. En effet, la capture d’une particule s’effectue si sa vitesse dedécantation est supérieure à la vitesse de Hazen (ou charge hydraulique superficielle) :

La rétention d’une particule est donc théoriquement indépendante de la hauteur de l’ouvrage. Leprincipe de la décantation lamellaire consiste donc à utiliser des plaques proches les unes des autres pour

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accroître la surface de décantation disponible par volume d’ouvrage. Afin d’assurer l’évacuation des boues,les plaques sont inclinées d’un angle a par rapport à l’horizontale.

La surface disponible pour la décantation correspond alors à la surface totale projetée STP surl’horizontale de l’ensemble des plaques :

Avec :n nombre de plaques,Sp (m2) surface unitaire de chaque plaque,α angle d’inclinaison des plaques par rapport à l’horizontale ; selon le modèle des lamelles, α est de 55° ou60°.Vh est de la forme :

Les vitesses de Hazen utilisées pour les eaux usées urbaines sont comprises entre 0,8 et 1,2 m/h surla pointe de débit de temps sec. Différents procédés sont appliqués qui se distinguent par le sens decirculation de l’eau et de la boue. Le procédé le plus commun est à « contre-courant » où la boue et l’eaucirculent en sens inverse (figure 6).

3.1.3.2 TRAITEMENT PRIMAIRE

Une fois l’effluent des eaux usées urbains est dégrossie, tamiser, dessabler déshuiler, on obtient uneeau en matière organique sedimentable.La décantation vise à éliminer une fraction de 45% à 65% de matières en suspension sedimentable selon laloi du stock en régime laminaire, on faisant circuler l’eau à épurer à une vitesse faible, cette fraction peutêtre augmentée si le processus de décantation est précédé d’un traitement de « coagulation-floculation » quifait décanter les matières colloïdes après formation de flocs ; ce dernier traitement est réalisé le plus souventpar des sels de fer et d’aluminium, de la chaux « CaO » et des poly électrolytes, à la fin de l’opération dedécantation , le sous produit sera récupérer par raclage du fond de bassin, et déverser dans la chaine duvalorisation « traitement des boues ».La coagulation –floculation avec le coagulant sulfates d’alumine : [AL2(SO4)3, 18 H2O]Hydrolyse:AL2 (SO4)3 + 18 H2O 2 [AL (H2O) 6]

+3 + 3 SO4-2 + 6 H2O

Coagulation :La déstabilisation des colloïdes à l’aide de coagulant, et formation de complexe soluble.2 [AL (H2O) 6]

+3 [AL2 (OH) 2 H2O] +4 + 2 H3O++7 H2O

2 [AL2 (OH)2 H2O] +4 + 6H2O [AL4 (OH)8]+4 +4H3O

+

Floculation :La collision des colloïdes et formation d’hydroxyde d’alumine ((floc)) qui finisse par décanter sous l’effetde leur poids.[AL4 (OH) 8]

+4+ 8 H2O 4 [AL (OH) 3] + 4 H3O+

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Le processus de décantation - floculation, est essentiel dans la chaine de traitement primaire, a pour but de :

Retenir une fraction importante de la pollution organique, Alléger la charge du traitement biologique ultérieur, Réduire les risques de colmatage des systèmes de traitement biologique par culture fixes « lits

bactériens, disques biologiques », Eliminer 30 à 35 % de la DBO5, et 65 % de la DBO5 si on procède à la floculation, et 60 % des MES

décantées, et en fin 90 % des matières décantées.

3.1.3.3 TRAITEMENT PRIMAIRE

Une épuration biologique des eaux domestiques est très efficace ; permet d’éliminer la majeure partiedes matières polluantes organique biodégradable, dissoutes ou dispersées dans l’eau à épurer.On distingue deux types de traitement :

3.1.3.3.1 ÉPURATION PAR VOIE ANAEROBIE

Ce type de traitement appelé aussi "digestion anaérobie ", elle est utilisée pour les effluents trèsconcentrés en pollution carbonée de type industriel : sucrerie, conserverie, etc.Les réactions s'effectuent en absence de l'oxygène, et les matières organiques biodégradables se retrouventaprès la biodégradation sous forme de méthane (CH4) et (CO2).

3.1.3.3.2 EPURATION PAR VOIE AEROBIE

C'est le procédé le plus souvent utilisé dans l’épuration biologique des eaux usées domestiques, ilconsiste à dégrader les matières organiques grâce à l'action d'une biomasse épuratrice, à laquelle doit êtrefourni de l'oxygène nécessaire pour son développement.

La biomasse épuratrice est constituée de micro-organismes vivants, elle peut être soit libre (mêlée aumilieu aqueux à épurer : boues activées), soit fixée (accrochée sur un support solide à la surface du quellepercole l’eau à traiter ((Lits bactériens, disques biologiques)).Parmi les précédés d’épuration aérobies on distingue :

A. Les procédés extensifs

Dans les quels la concentration en micro-organismes épurateurs est assez faible.Ces procédés ont l'inconvénient d'avoir un temps de séjour assez long d'une part, et la nécessité de grandsterrains d'autre part, on peut citer :

A.1 L'épandage

Est classé parmi les méthodes d'épuration les plus anciennes, dans laquelle les effluents sont amenésvers des prairies ou terrains de culture, dont le but est d'épurer ces eaux en processus biologiques quis'opèrent naturellement dans le sol et d'engraisser le sol en parallèle.L'épuration dans le sol s'effectue en deux stades : fixation des matières à épurer sur les particules de terre. dégradation de la pollution sous l'action des micro-organismes du sol.

A.2 Le lagunage

C'est un procédé d’épuration des eaux usées domestiques, rustique et très simple, les effluents sontdirigés vers des bassins étanches appelés lagunes.Une autre caractéristique importante est son grand pouvoir tampon face aux variations de chargesorganiques ou hydrauliques, en raison du temps de rétention hydraulique qui est beaucoup plus élevé quedans les autres procédés, on distingue :

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A.2.1 Les lagunes naturelles

L’épuration par lagunage naturel repose sur la présence équilibrée de bactéries aérobies en cultureslibres et d’algues, L’oxygène nécessaire à la respiration bactérienne est produit uniquement grâce auxmécanismes photosynthétiques des végétaux en présence de rayonnements lumineux, les lagunes naturellessont aussi connues sous le nom d'étangs de stabilisation.

Le créneau privilégié d’application de ce procédé rustique peut être défini comme suit : Petites collectivités : 250 à 1500 EH (conseillé) voire 100 à 2000 EH (possible). Eaux résiduaires domestiques seules et peu concentrées (DBO5 < 300 mgO2/l). Les réseaux strictement séparatifs sans eaux parasites sont à éviter. Nature du sol peu perméable (ou emploi de géo-membranes) Grande disponibilité en terrain. Supporter des contraintes d’exploitation lourdes ; curage, etc. Bonne élimination des germes pathogènes en été. Adaptation aux variations de charges hydrauliques (réseau unitaire).

A.2.2 Les lagunes aérées

Les lagunes aérées sont des bassins traversés par l'effluent à épurer, dont l'oxygène nécessaire àmaintenir les boues activées en suspension est fourni par des aérateurs à turbine.Suivant l'intensité du mélange eau-boues assurée par l'aération, les lagunes aérées sont classées en aérobiesou mixtes « aérobies-anaérobies » :

Lagunes aérobies :Elles sont assimilables à des réacteurs à boues activées, l'oxygène fourni par le diffuseur d'air permet

la biodégradation de la matière organique par les bactéries aérobies, les boues restent en suspension et ellessont évacuées en même temps que les eaux traitées, donc il faut prévoir un décanteur disposé au bout de lachaîne.

Lagunes mixtes (facultatives): aérobies-anaérobiesLes étangs aérés facultatifs sont constitués de bassins dans lesquels l’oxygénation est réalisée au

moyen de diffuseurs d’air installés au fond des bassins ou d’aérateurs de surface.Les étangs sont en condition de mélange partiel, c’est-à-dire que l’énergie de brassage est insuffisante pouréviter des dépôts. Seule une partie des matières solides est maintenue en suspension. Une partie des matièresen suspension décantent au fond des bassins, où elles constituent les boues qui entrent en digestionanaérobie. Les charges organiques appliquées et les matières organiques solubles provenant de la digestiondes boues sont oxydées dans les zones supérieures aérobies.Pour obtenir un effluent clarifié, il est nécessaire de prévoir une zone sans apport d’air à la fin du dernierétang ou un dernier étang non aéré (un décanteur).

B. Les procédés intensifs

Ces procédés permettent la diminution des terrains d'installation et le temps de séjour, en intensifiantl'élimination des matières organiques, et on distingue deux types de procédés :

Procédés à culture fixe Procédés à culture libre

B.1 Les procédés à cultures fixes

Ce procédé regroupe tous les procédées, où la biomasse épuratrice est accrochée sur un supportsolide à travers lequel on percole l'eau à traiter, on trouve :

B.1.1 Les lits bactériens

Appelés les filtres bactériens ou aussi filtres percolateurs ; sont constitués de masses de matériaux degrande surface spécifique, servant de support aux micro-organismes épurateurs qui y forment un feutrageplus ou moins épais, dont l'eau à traiter est percoler, préalablement décanté sur cette masse.La dispersion de l'eau à épurer en surface du lit, est réalisée par un dispositif tournant.Une aération est pratiquée quelquefois pour apporter l'oxygène nécessaire au maintien en aérobiose de lamicroflore.

50

La pollution contenue dans l'eau, est diffusée à travers un film biologique qui comporte des bactéries,et par conséquence dégradée pour donner des métabolites.

Pour augmenter la surface spécifique, il y a intérêt de choisir des matériaux de faibles dimensions etmaintenir les vides de 4 à 8 cm pour le passage de l'eau et de l'air.Selon la nature de matériau on distingue :

les lits bactériens traditionnels : on utilise comme remplissage minéral (la pouzzolane, du coke et descailloux siliceux)

les lits bactériens modernes : à remplissage organiques dits plastique (anneaux de rachi, PVC,polystyrène…) qui sont utilisés en modèle ou en vrac.

Les lits bactériens composés : à remplissage ne dépassent jamais les 5 m de hauteur.A cause de ces garnissages, les lits bactériens peuvent atteindre une hauteur de 12 à 15m.Selon la charge de l'effluent on a :

Les lits bactériens à faibles charges. Les lits bactériens à hautes charges.

Les lits bactériens à faibles charges :La vitesse de l'effluent est modérée et ne provoque pas l'entraînement des matières actives, les deuxprocessus d'épuration aérobies et non aérobies peuvent se manifester au même temps.Les charges communément admises son les suivantes :

37 m3 / m2 / j pour la charge hydraulique. 0,2 kg DBO5 / m3 / j pour la charge organique.

Le rendement épuratoire est très élevé et atteint 95%, ce procédé s'adapte bien à la variation du débit,néanmoins il est déconseille de l'utiliser, car ses résultats sont instables et variables dans le temps. Les lits bactériens à hautes charges :Ils peuvent fonctionner sous des charges organiques qui peuvent aller jusqu'à dix (10) fois plus grande que laprécédente.Les paramètres caractéristiques de la capacité d'épuration sont comme suit :

20 à 25 m3 / m2 / j pour la charge hydraulique 1 à 2 kg DBO5 / m3 / j pour la charge organique

B.1.2 Les disques biologiques

Le mode de fonctionnement de ce type de station est basé toujours sur la biodégradation aérobie de lapollution organique.

Les percolateurs sont des disques de 2 à 3 m de diamètre, en matière plastique poreuse rangés les unsà côté des autres sur un axe horizontal avec un espacement de 2 cm.

Les disques tournent à une vitesse de 1 à 3 tours par minute dans le sens de l'écoulement des eauxqui se dirigent vers le décanteur secondaire,

La biomasse se trouve alternativement en contact avec l’eau à traiter et avec l’oxygène de l’airambiant, et lors de l'immersion les microorganismes absorbent les matières organiques en se saturantd'oxygène atmosphérique, et forment un film (une culture) biologique riche en bactéries aérobies épuratricesà la surface des disques semi immergés.

Les boues déposées étant circulées en tête de la station, et représentent 1 à 1.3 l/hab/j, c'est à dire 0.8à 1kgMES/ kgDBO5 éliminée,

B.1.3 Les bio-filtres

Les bio-filtres permettent selon leur configuration d’éliminer la pollution carbonée ou azotéepar Nitrification-Dénitrification.

Cette technologie vise à réaliser simultanément, dans le même ouvrage la réaction biologiquede dégradation aérobie de la pollution et la clarification par filtration.Principe de fonctionnement :

Les bio-filtres mettent en jeu trois (03) phases :

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Une phase solide : constituée d’un matériau granulaire qui assure, non seulement, la rétention desmatières en suspension par filtration, mais aussi, la fixation d’une biomasse épuratoire.

Une phase liquide : renouvelée par l’apport d’eau à épurer. Une phase gazeuse : générée par l’insufflation de bulles d’air dans la masse filtrante.

Une cellule de bio filtration est constituée d’un bassin garni d’un matériau filtrant, de faiblegranulométrie, immergé et aéré ou non selon le type de réacteur (biomasse).Le matériau filtrant doit être microporeux, de grande surface spécifique, résistant à l’abrasion et doitpermettre une rétention des matières en suspension, il doit aussi avoir un diamètre compris entre 1 et 4 mmet une masse volumique située entre 1,4 et 1,8 g/cm3.La filtration s’effectue dans la masse ce qui limite les risques de lessivage.L’alimentation en eau résiduaire peut être réalisée par le haut (flux descendant) ou par le bas (fluxascendant).

La transformation de la matière organique ou l’oxydation des composés azotés contenus dans l’eauusée est effectuée par des micro-organismes adhérant au support granulaire.Le milieu doit rester en aérobiose (sauf pour la dénitrification) pour satisfaire le besoin en oxygène desmicroorganismes.Le massif filtrant se colmate progressivement par développement du bio-film et rétention des matières ensuspension, il faut alors retirer l’excès de biomasse pour maintenir les capacités hydrauliques et épuratoiresdu bio-filtre.

Le lavage s’effectue par injection ascendante d’eau épurée et d’air puis d’eau seule pour le rinçage.Les cycles de lavages en flux nécessitent l’interruption du traitement des effluents. Les eaux de lavages etles boues excédentaires sont, en général, renvoyées en tête de station.Ceci provoque une augmentation de la charge volumique qui a peu d’incidence sur la qualité d’eau sortantdes bio-filtres.Un lavage journalier de chaque filtre est à prévoir, le redémarrage d’un filtre après lavage est rapide, labiomasse active étant toujours présente dans les pores du milieu granulaire.Dans un seul ouvrage, deux (02) fonctions épuratrices sont combinées :

•La rétention des matières en suspension par simple passage de l’eau usée dans la masse filtrante.•La transformation biologique de la pollution organique dissoute par la biomasse fixée.•Les bio-filtres sont donc, en général, utilisés en traitement secondaire ou tertiaire, les traitements réalisés àl’amont restent cependant indispensables tels que dégrillage, dessablage, dégraissage et décantationprimaire.

Principes d’épuration classique d’un bio-filtre :• Abattement de la pollution carbonée par transformation du carbone organique en carbone minéral par lesmicro-organismes.• Élimination de l’azote organique par nitrification, c’est-à-dire transformation de l’azote organique ennitrates.N. organique NH4

+ + O2 NO2- NO3

-

Aération Nitroso- monas Nitrobacter• Transformation de nitrate en azote gazeux par dénitrification. Ainsi, par dégazage, l’azote est éliminé.2H3O

+ + 2NO3- N2 + 5/2 O2 + 3H2O

B.2 Les procédés à cultures libres : boues activées

Une épuration biologique des eaux domestiques très efficace, permet d’éliminer la majeure partiedes matières polluantes organique biodégradable, dissoutes ou dispersées dans l’eau à épurer, le procèdeutilisé dans les réacteurs biologiques est une intensification du processus que l’on retrouve dans la naturesous le nom d’auto- épuration.

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Les dispositifs spéciaux conçus dans ce type de procédé sont : Les réacteurs biologiques : « zone contacte + zone d’aération + zone de dégazage ». Les clarificateurs : décanteurs secondaires Un dispositif de recirculation périodique des boues en tête du réacteur biologique, cela permet de

maintenir une forte concentration de la faune et la flore, pour assurer le niveau d'épuration souhaité. Un dispositif d’évacuation des boues en excès, c'est-à-dire du surplus des cultures bactériennes

synthétisées en permanence, vers la chaine de traitement des boues. Un dispositif de fourniture d'oxygène à la masse bactérienne présente dans le bassin d'aération. Pour conserver en suspension la culture, dans laquelle est maintenu l'oxygène pour les procédés

aérobies, on prévoit un brassage.

C’est dans les bassins d’aération qu’a lieu le traitement biologique proprement dit.Une quantité contrôlable d’oxygène de l’air y est apportée, grâce à elles, les bactéries aérobies (micro-organisme naturelle ou la biomasse) ont la faculté de métaboliser de nombreux composés organiques etminéraux (H2S, NO3

-, NO2-), et même il existe des bactéries qui peuvent assimiler des composés toxiques tel

que, les phénols, le formaldéhyde, les cyanures etc.Les micro-organismes regroupées en formations floculeuses, entraînées par les eaux, parviennent dans lesbassins de décantation secondaires où ils se déposent sous forme de boues, afin de précipiter- d’activer leprocédé, d’où le nom de processus des boues- activées, ces boues composées de microorganismes vivants,sont recyclées en tête du bassin d’aération où une certaine quantité de microorganismes peut être maintenue.Les deux paramètres essentiels d’un bon fonctionnement d’un traitement biologique sont :

Un apport suffisant en oxygène qui va oxyder la matière dégradable. Une quantité suffisante en boues composée,

Ces paramètres une fois adaptés aux conditions particulières de l’effluent traité permettant alors letraitement biologique le plus approprie.

Quelque soit la manière de mise en contact entre la pollution et la biomasse, à bactérie fixées (litbactérienne-le disque biologique-le bio-filtre), ou à bactéries non fixe (boues activées) toute en aérant, ladégradation de la pollution suive les mêmes étapes c'est-à-dire :Augmentation de la biomasse et diminution en exponentielle de la DBO jusqu’à 80℅.

Les paramètres essentiels caractérisant un réacteur biologique:En épuration d’eau un réacteur biologique pourra se caractériser suivant trois paramètres essentiels : La charge massique : Cm. Charge volumique : Cv. Age des boues : Ab. Indice de MOHLMANE : Im

Besoin en oxygène. l’aptitude des boues a la décantation.

Ces paramètres une fois adaptés aux conditions particulières de l’effluent épuré permettant alorsl’épuration biologique le plus approprie.

La charge massique : Cm

Elle caractérise l’équilibre biologique du traitement.Elle représente le rapport : Nourriture/ biomasseDéfinition: la quantité de substrat polluant (DBO5) mis à la disposition d'un micro-organisme (ou d'uneunité de masse de micro-organismes) par unité de temps.Elle est exprimée en kgDBO5 / kg de matière sèche par jour.

C୫ =Q × SV × X୲

Avec :

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Q : le débit de l'effluent à traiter [m3/j],So : la concentration en substrat, en [kgDBO5/m

3],Xt : la concentration en biomasse dans le bassin, en [kgMS/m3 ou kgMVS/m3],V : le volume du bassin en [m3].

Charge volumique : CvC’est la masse de pollution entrant journellement par unité de volume du réacteur.

Elle s’exprime en Kg de DBO5 / m3 / J.

C୴ =Q ∗ S

VAge des boues :

L'état physiologique de la biomasse est mesuré par l'âge moyen de la boue (le temps de séjour moyendes boues dans le bassin d’aération).Il se définit comme étant le rapport entre la quantité de boue dans le bassin et celle extraite quotidiennement.

Aୠ =[MES] × V

[MES] × Q

Ab : l’âge des boues eu heure.QE : Débit journalier d’extraction des boues en excès[MES]BA : Concentration en MES des boues activées Kg / m3.VBA : Volume du bassin d’aération (la liqueur mixte) en m3.[MES]E: Concentration en MES des boues extraites

Indice de MOHLMAN : Im

L'efficacité d'un procédé de boues activées est liée à la décantabilité de la boue formée par la bio-floculation dans le bassin d'aération, cette décantabilité est mesurée par l'indice de MOHALMAN:Il défini le volume occupé par une unité de masse de boue activée après 30 minutes de décantation enéprouvette d'un échantillon d'un litre, par rapport à la masse de résidus sec de cette boue.

ܕ۷ =܄ۻ

V30 : volume de boue obtenu après 30 mn de décantation d’un litre de boue activée.M : masse des matières en suspension dans le bassin de boue activée.IM est sous l'influence d'un certain nombre de paramètres qui définissent les conditions de formation du flocdans le réacteur biologique :

•Intensité d’agitation•Etat physiologique de la biomasse•Les conditions du milieu : Équilibre du substrat, PH, Température, etc•Les charges de fonctionnement

3.1.3.4 TRAITEMENT TERTIAIRE (COMPLEMENTAIRE)

Le traitement tertiaire, est un procéder spécifique d’affinage, intervient quand on constat que l’eauqui sort du clarificateur ne répond pas aux normes de rejet ((contient des éléments porter atteindre le milieunaturelle)), ou pour adapter ces eaux à l’usage direct (industrie ou agriculture), et indirecte quand le rejet sefait en amont d’une source d’AEP, d’où l’élimination des nutriments (N, P) et les germes pathogènes.

3.1.3.4 1 ELIMINATION DE LA POLLUTION AZOTEE

L’azote est un éliment que l’on trouve partout, dans les eaux de surface (azote ammoniacal NH3), etdans les eaux sous terraines (nitrate NO3

- , nitrite NO2-), et dans les eaux usées urbaines ; dont l’azote

provient généralement soit des excréments de l’homme, soit des produits commerciaux pour l’entretient desménages des locaux, et se présente essentiellement sous forme d’azote organique (urées, protéines) et

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d’azote ammoniacal NH4+ ; il est rejeté 13 à 15 g d’azote par habitant et par jour, les

ଶ

ଷsous forme

ammoniacale etଵ

ଷsous forme organique (urée)

Tableau : Distribution de la pollution P et N selon leurs origines

La pollution N(%) P(%)

Matière fécale 15 40

urines 85 60

Le principe d’élimination biologique de l’azote se fait en trois étapes indispensables suivant le cyclebiologique de l’azote. L’ammonification. Assimilation. Nitrification « Nitritation – Nitratation » et la dénitrification.

L’ammonification :C’est la première étape de la transformation de l’azote organique en azote ammoniacal, réalisée par lesbactéries, autant en milieu anoxique qu’aérobie, suivant la réaction, dont la vitesse d’ammonification dépendessentiellement de la concentration en azote ammoniacal.N. organique NH4

+ + OH- + produits carbonés. L’assimilation :

C’est l’utilisation d’une partie de l’azote ammoniacal et éventuellement organique pour la synthèsebactérienne.L’assimilation peut jouer un rôle important dans l’élimination de l’azote dans certaines eaux résiduairesindustrielles, mais dans biens des cas et en particulier en eaux résiduaires urbaines, ne suffit pas à elle seul aéliminer l’azote, car les quantités présentes dans les effluents à traiter sont bien supérieurs a ce qui peut êtreassimilé pour la synthèse.

La nitrification :Elle permet la transformation de l’ammoniac en nitrates, lors de la phase aérée de la biomasse contient desbactéries autotrophes du genre : Nitrosomonas et Nitrobacter.Cette transformation se fait en deux étapes successives :

La conversion de l’ammonium NH4+ en nitrites NO2

-, qui s’appelle la Nitritation. La conversion des nitrites NO2

- en nitrates NO-3, qui s’appelle la Nitratation, dont le dosage est de

4.5 g d’O2 pour nitrifier 1g d’azote.

La Nitritation:La réaction d’oxydation est la suivante :

NH4+ +

O2 + H2O NO2

- + 2H3O+

NH4+ + 4 H2O NH2OH + 3 H3O

++2e-

Cette réaction a lieu en deux étapes :La formation de cellules bactériennes est régie par la formule suivante :NH2OH + O2 NO2

- + H3O+

5 CO2 + NH4+ + 3 H2O C5H7NO2 + 5O2 + H3O

+

La Nitratation :Les Nitrobacter oxydent les nitrites en Nitrates selon les réactions suivantes :

NO2- NO2 + e-

NO2 + 3H2O NO3- + 2 H3O

+ + e- NO2- +

O2 NO3

-

1/2 O2 + 2H3O+ + 2e- 3H2O

La dénitrification :C’est un processus anaérobique, consiste à réduire la teneur globale d’azote nitrifié NO3

- par certainesbactéries hétérotrophes très actives en milieu pauvre en oxygène qui vont le rendre sous forme gazeuse.

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Cette réduction d’azote nitrique se produit à travers différentes réaction que l’on peut schématisercomme suit :

NO3- NO2

- NO N2O N2

Globalement, en épuration d’eau résiduaire on admet la réaction suivante :NO3

- + 6 H3O+ 9 H2O + 1/2 N2

la vitesse de dénitrification :Est commandée par quatre paramètres essentiels La temperature : la dénitrification augmente proportionnellement avec la température. L’oxygène dissous : La présence d’oxygène inhibe la réaction de dénitrification. Le PH : Le PH optimal se situe entre 7 et 8.2. Source de substrat carboné : Le substrat carboné influe par sa nature et sa concentration.La dénitrification par utilisation du carbone organique contenu dans un effluent urbain conduit a descinétiques très acceptables comparées à celles obtenues avec des produits facilement biodégradables.La dénitrification permet une restitution d’alcalinité égale à la moitié de la consommation nécessaire à lanitrification.Mécanisme réactionnels de la dégradation de la pollution azotée par Nitrification-Dénitrification :

Apport de matière organique

N organique Nitrification DénitrificationEau brut Aérobie Anaérobie

Assimilation

Azote portant dans les boues en excès (Synthèse bactérienne)

3.1.3.4 2. ELIMINATION DU PHOSPHORE

La déphosphoration biologique repose sur l’accumulation du phosphore à l’intérieur des bactéries,qui sont évacuées avec les boues en excès.Ce procédé ne nécessite pas de réactifs et ne conduit pas à une production supplémentaire de boues. Dansune installation « classique », une partie du phosphore est éliminée avec les boues en excès, qui ont uneteneur en phosphore d’environ 2%.

On peut cependant, enrichir les boues de façon à obtenir des boues de 6 à 8% de phosphore. Pourcela, il est nécessaire que les boues passent, lors de leur cycle dans la station, à travers une zone d’anaérobie.Ces boues enrichies en phosphore permettent donc d’éliminer le phosphore de l’eau.

En résumé, cette technique conduit à un transfert du phosphore, de la phase liquide ((effluent brut)) vers laphase solide ((boues activées)).

3.1.3.4.3. LA DESINFECTION

Ce traitement a pour objectif, d’améliorer la qualité bactériologique de l’effluent épuré.Une désinfection n’a de sens que si l’eau préalablement bien épurée et clarifiée.La désinfection par le chlore est la plus fréquente ; elle nécessite pour être efficace, un temps de contact

supérieur à 3mn au débit de pointe. Pour obtenir 99.9% de réduction de coliformes, et les doses admises sontles suivantes : Après les lits bactériens : 3 à 10 mg/l Après les boues activées : 2 à 8 mg/l Après filtration sur sable ou passage sur charbon actif : 1 à 5 mg/l

L’effet stérilisant du chlore est d’autant plus efficace que l’épuration biologique est bonne, car laprésence de NH4

+ réduit l’effet bactéricide du chlore par formation de chloramines peu actifs.

NH4+ NH4 N.O NO3

- NO2- N2

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Le dioxyde de chlore ClO2, le brome Br, l’ozone O3 et les rayonnements UV sont à la fois des agentsdésinfectants, tout particulièrement sur les virus et les bactéries, et sont des oxydants de la matièreorganique.

En Algérie, le réactif le plus souvent utilisé est l’eau de javel « Na Cl O » qui nécessite pour êtreefficace, le maintien d’une teneur suffisante (0.1mg/l) et un temps de contact minimal de 20 minutes.

3.1.3.4.4. TRAITEMENT DES BOUES RESIDUAIRES

Les boues extraites du décanteur ont une teneur en eau avoisine de 99 %, on l’exprime généralementen siccité (1 %).

Les traitements appliqués aux boues « brutes » visent, selon la dévolution finale des boues, à réduireleurs volumes, leur pouvoir de fermentation liée à leur teneur en matières organique, C'est-à-dire en élimineles bactéries et les parasites présents.

Ces traitements permettent de limiter les nuisances olfactives liées aux fermentations, et les risquessanitaires lors de la réalisation des opérations d’épandage, mais aussi faciliter leur stockage, avant leurélimination ou leur valorisation.

Trois étapes pour le Traitement des boues résiduaires, se succèdent généralement : L’épaississement ; La déshydratation ; La stabilisation.

3.2. LES EAUX INDUSTRIELLES

3.2.1 CONCEPTION DES INSTALLATIONS

3.2.1.1 ORGANISATION DES ÉGOUTS ET DES CIRCUITS

Elle est étroitement liée à la nature des industries et les situations les plus diverses existent. Il estessentiel d'éviter les dilutions inutiles et les principes suivants doivent être respectés :

- les eaux de réfrigération, si elles ne sont pas en circuit semi-ouvert, et les eaux pluviales non polluées sontrejetées en réseaux séparés,- les eaux de procédé présentant des concentrations élevées ou des polluants spécifiques sont collectéesséparément (eaux cyanurées, eaux chromatées, eaux salines, etc.),- les eaux pluviales pouvant être polluées sont dirigées vers la station de traitement,- les eaux contenant des matières valorisables et/ou recyclables sont prétraitées avant mélange avec lesautres effluents contaminés.

Parallèlement, le flux hydraulique et le flux polluant, lorsqu'ils sont trop variables, sont régulariséspar :- des bassins d'orage, placés en dérivation, qui stockent les premières eaux polluées. La reprise de ces eauxà faible débit, vers le traitement, permet ainsi de ne pas sur dimensionner celui-ci.- des bassins d'homogénéisation brassés stockant, pendant quelques heures, sinon pendant quelques jours,la totalité des effluents produits par une unité ou par toute l'usine, écrêtent les pointes de pollution etpermettent aussi une certaine programmation du fonctionnement de l'installation.- des bassins de sécurité, maintenus vides et destinés à stocker pendant une ou deux journées l'effluent brut,dans le cas de caractéristiques anormales de celui-ci (toxicité), ou l'effluent en cours de traitement dans lecas d'arrêt d'un stade d'épuration situé en aval Ces deux fonctions peuvent être conjuguées en un seul bassin.

3.2.1.2 TRAITEMENTS SÉPARÉS DES EFFLUENTS

Ils consistent en l'épuration séparée d'effluents d'ateliers particuliers et se justifient :-soit par une revalorisation de sous-produits (flottation en abattoirs, récupération de fibres en papeterie),

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- soit par un moindre coût de l'épuration des effluents concentrés (désulfuration des soudes usées deraffinage),- soit par une détoxication (chrome, solvants, sulfures) nécessaire avant épuration biologique,- soit par l'optimisation du traitement biologique (méthanisation d'effluents concentrés en IAA).

3.2.1.3 TRAITEMENT PRÉLIMINAIRE

Les conditions de prétraitement des effluents généraux d'usine sont, elles aussi, variées :

Le dégrillage automatique est souhaitable dans la plupart des industries et impératives dans certaines: IAAou papeteries.Le dessablage n'est réalisé que dans quelques industries (aciéries, laminoirs, fonderies, sucreries, sablières)et sur certaines eaux pluviales.Le dégraissage est fréquent sur les effluents d'IAA et de laminage à froid.Le déshuilage est souvent nécessaire les hydrocarbures et les huiles proviennent des circuits de graissage oudu stockage de combustible, et parfois des fabrications.La neutralisation, quand elle n'est pas incluse dans le traitement physicochimique, peut être indispensableavant épuration biologique.Le refroidissement est quelquefois nécessaire pour protéger une épuration biologique ou satisfaire lesnormes de rejet: cokerie, pétrochimie, chimie, pâtes et papier.

3.2.1.4. TRAITEMENT PHYSICO-CHIMIQUE

L'épuration physico-chimique peut, suivant les cas, constituer un stade intermédiaire ou un stadefinal du traitement.

Elle a une ou plusieurs fins :- précipitation de métaux et de sels toxiques ou indésirables (S04

2-, F-...),- élimination des huiles en émulsion,- clarification avec réduction concomitante de la DBO5 colloïdale et la DCO correspondante.

Le traitement physico-chimique suppose le maintien du pH dans une zone assez étroite. Suivant lanature du processus (précipitation, cristallisation, adsorption ou floculation), il peut être réalisé dansdifférents types de clarificateur :- décanteurs raclés,- flottateurs, tels que FLOTAZUR ou SÉDIFLOTAZUR, pour l'élimination d'huiles, de fibres et pigments,- décanteurs lamellaires tels que SEDIPAC, pour la précipitation d'hydroxydes,- clarificateurs à recirculation de boues, tels que DENSADEG et TURBOCIRCULATOR,- filtres à matériau granulaire pour les eaux peu huileuses (raffineries, laminoirs).

L'optimisation du procédé d'épuration et les contraintes d'encombrement sont les paramètres de choixessentiels. Selon les circonstances, cette épuration physicochimique peut être simultanée avec l'un desprocessus suivants :- neutralisation, avec utilisation possible du TURBACTOR sous pression,- oxydation ou réduction.Ces processus mettent en jeu des automates de régulation du pH ou du potentiel redox.

3.2.1.5. TRAITEMENT BIOLOGIQUE

Le recours à l'épuration biologique dépend de la biodégradabilité des effluents, et sa conception doit tenircompte de particularités propres aux ERI :- les eaux qui ont subi un traitement préalable physico-chimique sont peu chargées en MES et leur DBO5 estalors principalement soluble,- leur composition en nutriments est rarement équilibrée. Une correction de la teneur en P et/ou N doitsouvent être pratiquée,- les fortes concentrations en sels minéraux sont fréquentes et leurs variations rapides peuvent perturber ledéveloppement de l'épuration (chimie de synthèse),

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- des âges de boue élevés sont souvent utiles à la stabilité et à l'efficacité du procédé,- une attention particulière doit être apportée au maintien de zones de pH et de la température à des valeursrelativement constantes,- le démarrage des installations peut nécessiter des ensemencements appropriés.

Les différents procédés mis en œuvre sont:- boues activées,- cultures fixées (lits bactériens à matériau plastique, BIOFOR, BIODROF),- traitements anaérobies (ANALIFT, ANAPULSE, ANAFLUX, ANAFIZ).

3.2.1.6. TRAITEMENT TERTIAIRE

Ce traitement peut avoir différents objectifs, après épuration biologique:- réduction des MES,- élimination de composés spécifiques (HPA, phénols etc.),- réduction de la DCO colloïdale résiduelle, qui requiert de fortes doses de coagulant,Ce traitement, réalisable selon des configurations très différentes, peut ainsi mettre en œuvre.- des décanteurs (DENSADEG, TURBOCIRCULATOR),- des flottateurs (FLOTAZiJR, ...),- des filtres granulaires, avec ou non prépondérance d'une vie biologique (par appoint d'air ou d'oxygène).

L'application de réglementations de plus en plus strictes peut aussi requérir l'élimination de la DCOsoluble non biodégradable, de la couleur et d'autres éléments spécifiques. Cette DCO est due à descomposés organiques de nature diverse: solvants, dérivés nitrés et sulfonés, colorants, etc. Les procédéspossibles d'élimination sont alors les suivants:- adsorption sur charbon actif à régénération thermique ou chimique ou sur adsorbants divers,- ultrafiltration,- oxydations diverses: oxygène à hautes température et pression, chlore, ozone.

Bien que de nombreux composés organiques soient colorés, la majorité d'entre eux n'absorbent pas lalumière dans la partie visible du spectre, mais dans la région de l'ultraviolet. Quelle que soit leur origine,naturelle ou artificielle, ces colorants possèdent des groupements chromophores, c'est-à-dire des fonctionsayant un excès d'électrons, (doubles ou triples liaisons, cycles aromatiques), et des hétérocycles renfermantde l'oxygène, du soufre ou de l'azote. Parmi les voies possibles pour décolorer les eaux, l'une utilise desréactions d'oxydation pour dégrader les molécules responsables de la couleur en faisant appel à des oxydantspuissants, tel l'ozone.

3.2.1.7. PARTICULARITÉS DU TRAITEMENT DES BOUES

Les boues provenant des différentes étapes du traitement des effluents industriels, présentent souventune forte concentration en matières minérales qui peut en rendre la déshydratation plus facile, maisl'incinération sans intérêt ou délicate (carbonatation du circuit de lavage des fumées, par ex.).

Leur épaississement et leur déshydratation se différencient de ceux des boues urbaines :- les boues à dominante minérale peuvent être épaissies avec de forts flux massiques et des temps destockage d'autant plus élevés que les boues sont peu fermentescibles. Il est ainsi possible de réaliser desépaississeurs d'une hauteur utile atteignant 8 m.- dans le cas de boues mixtes d'origines différentes, il peut quelquefois y avoir tendance à une stratificationdans l'épaississeur et on doit alors y remédier soit par un recyclage des boues sur l'appareil, soit enconservant deux chaînes d'épaississement distinctes; les destinations finales des boues déshydratées peuventalors ne pas être les mêmes,- en déshydratation, des filtres à bande type SUPERPRESSDEG sont mieux adaptés que d'autres systèmestels que centrifugeuses ou vis presseuses. Ils peuvent en effet accepter des boues de concentration et qualitétrès variables, même en cours de journée.

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3.2.1.8. LES ODEURS

Le tableau ci-dessous présente différents produits malodorants fréquemment présents dans certaines ERI.

NOTE DE COURS STEP

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